电解质传感器 科学家制备水伏离子传感器，能用于可穿戴式汗液电解质检测

科学家制备水伏离子传感器，能用于可穿戴式汗液电解质检测

从环境监测到人体汗液电解质水平分析，离子传感器都是一个重要的核心元器件。尤其是汗液电解质监测，对于运动中补充电解质以维持良好身体水离平衡有着重要的指导意义。

固体接触离子选择电极（SC-ISE，solid-contact ion-selective electrodes）的电极膜电位，与待测离子含量之间的关系，符合能斯特这一方程式。

即 10 倍的离子活度变化对应着 59.2/zi mV 的电位变化（即灵敏度，其中 zi 为离子价态）。

另一方面，SC-ISEs 在使用时往往需要先进行标定等操作。因此，中国科学院苏州纳米所李连辉博士和所在团队希望可以制备一种能被简便使用的高灵敏自供能离子传感器。

图 | 李连辉（来源：李连辉）

几年前，学界提出了蒸发驱动的水伏效应：即利用水的蒸发驱动水溶液流过纳米通道，在固-液相互作用下持续产生电能。

此后，一系列研究都聚焦于提升水伏器件的产电性能上，而该团队也在这一方向有着丰富积累。

研究中，他们发现纯粹的水伏器件可以产生较大的开路电压（超过 3V），且会受到溶液中的离子浓度影响。

这让他们产生了独辟蹊径的想法，即将这种新效应用于离子传感领域，制备一种高灵敏、宽响应范围的水伏离子传感器。

此外，从高性能水伏器件构建角度来说，材料表面特性和通道的尺寸是两个最关键的因素。尤其是通道尺寸，它会显著影响通道内的溶液流动阻力。

通过合成高表面极性材料再组装的方法，是一种增强纳米通道离子选择性的可靠方法。但是，材料组装构成的纳米通道尺寸相对固定，难以实现通道尺寸的最优化。

为此，他们提出了纳米通道精细调控策略，实现了纳米通道的尺寸调控、表面极性增强与结构绑定。

这样一来水伏器件的室温开路电压达到 4.82V，离子传感的灵敏度最大达到了 1.37V dec-1，从而能够用于可穿戴汗液传感和环境微量离子检测，借此展示了将水伏效应应用于离子传感的潜力。

（来源：Advanced Materials）

事实上，水伏器件不仅对离子展现出高灵敏度和宽响应范围的传感特性，同时基于该效应的水伏器件形态丰富，尺寸和模量都可以被可调节。

因此这款柔性水伏离子传感器非常适合于可穿戴式的汗液电解质检测，故能为运动健康、疾病康复提供可靠的数据支撑。

另外，对于环境中包括水质、空气等的离子监测，水伏离子传感器也可以发挥作用。同时，水伏器件本身还具备产电能力，因此可以作为电子器件的能源供给平台。

对于将蒸发驱动的水伏效应应用于离子传感，李连辉等人在起初是充满忧虑的。2017 年，在蒸发驱动水伏效应提出之后，人们开始将其应用于产能领域。

但是，目前该领域的大多数研究依旧聚焦于提升其产电性能。此时，将这样一个新效应应用于离子传感，他们十分担心这个方向是否可以走得通，以及能否被同行专家所认可。

李连辉说：“恰巧那时我一个会议上遇见了郭万林院士，他很看好水伏这个方向，并认为水伏现在是问题最多的时候、也是机遇最多的时候。而他们团队的张珽研究员也非常支持我们去探索新方向。”

于是，他们联合完成了本次研究。最终，相关论文以《基于丝素蛋白调控纳米通道的柔性水伏离子传感》（Silk Fibroin-Regulated Nanochannels for Flexible Hydrovoltaic Ion Sensing）为题发在 Advanced Materials[1]，葛长磊是第一作者，李连辉和张珽担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

尽管本次工作证明水伏效应在离子传感上拥有巨大的应用潜力，但是距离可靠的应用还面临着许多挑战。例如，水伏离子传感器的响应时间、稳定性等问题还等待解决。

下一步，他们将围绕这些挑战，通过对纳米通道和表面特性的进一步优化，来实现水伏离子传感器的响应时间、稳定性甚至离子选择性的提升。

最终，他们希望结合深度学习等技术构建完整的检测-反馈系统，将水伏器件变成测得准、测得快、测得稳的离子传感器。

参考资料：

1.Ge, C., Wang, Y., Wang, M., Zheng, Z., Wang, S., Kong, Y., ... & Zhang, T. (2023). Silk Fibroin‐Regulated Nanochannels for Flexible Hydrovoltaic Ion Sensing.Advanced Materials, 2310260.

排版：朵克斯

能治病的绷带，你见过吗？｜科技观察

封面新闻记者 马晓玉

想象一下，未来的创口贴，不仅能够像第二层皮肤一样贴合你的伤口，还能像最尽职的医生一样，24小时不间断地监测伤口的每一个微小变化，这就是“智能绷带”。

日前，据最新一期《自然·材料》杂志，美国南加州大学凯克医学院和加州理工学院联合团队，正在不断推进智能绷带的研发。这种高科技敷料经过数次优化，现已能持续提供有关伤口愈合和潜在并发症的数据，并可实时提供药物及其他治疗。

智能绷带背后：大创伤或慢性伤口无法自愈

在日常生活中，传统绷带是我们对抗小伤口的得力助手，它的止血和隔绝作用如同一位忠诚的卫士，保护着我们的肌肤不受外界侵害。然而，这位卫士在长期服役中也暴露出了短板：不透气的粘贴环境容易成为细菌的滋生地，引发二次感染。

面对不会自愈的大创伤或慢性伤口，传统绷带的力量更显得微不足道。例如糖尿病患者出现的几种溃疡,以及烧伤和一些手术创口，它们如同顽固的敌人，常常在8到12周的时间内都无法自行愈合，让感染和溃烂的阴影笼罩着患者的康复之路，在极端情况下还会致命。

目前的疗法通常是手术或是持续使用抗生素，但可能会因为药物滥用恶化抗生素耐药性问题。“慢性伤口影响着成千上万的人，”美国加州理工学院的生物医学工程副教授高伟说，“我们迫切需要个性化的伤口治疗方案。”

面对这些问题，智能绷带正在悄然流行，科学家们试图通过开放这种无线可穿戴的生物电子系统，让慢性伤口的治疗更容易、更有效、更便宜。

智能绷带。图源加州理工学院

让伤口的每一次“呼吸”都被精准记录

智能绷带的设计精妙，它能够敏锐地捕捉到伤口的任何变化，无论是温度、湿度，还是酸碱度的微妙变动，都逃不过它的“法眼”。这就像是给伤口装上了一台微型监测仪，让伤口的每一次“呼吸”都被精准记录。

医生甚至可以利用无线技术远程监测伤口的炎症、感染或血流问题，一旦有异常，便会立即通过蓝牙技术向患者和医生发出“求救信号”。

智能绷带不仅是一个敏锐的“观察者”，更是一个积极的“行动派”。一旦检测到伤口需要治疗，它能够迅速作出反应，实时提供药物或其他治疗措施。这就像是伤口旁边的小型“医疗站”，随时为伤口提供所需的“补给”，加速其愈合过程，让患者无需频繁前往医院。

不仅如此，智能绷带还能提供伤口愈合和潜在并发症的数据，并传到用户手机上。这些数据就像是一份详细的“伤口报告”，让医生和患者能够清楚地了解伤口的恢复情况，及时调整治疗方案。

在不断的迭代更新中，智能绷带的功能日益完善。不仅可以通过手机了解伤口愈合情况，还能通过电疗加速伤口愈合。最神奇的是，一些智能绷带在完成使命后，还能被人体无害地吸收。

小小创口贴浓缩大技术

智能绷带的制作，采用了水凝胶等先进材料，它们不仅柔软亲肤，还能向组织和细胞传递温和的电刺激。这就像是为细胞注入了一剂“加速剂”，激发它们加速伤口的愈合过程。

同时，智能绷带还内置多重传感器和微处理器，它们构成了一个微型监测站，实时监测伤口的微环境。电化学传感器可测量蛋白质、抗体、营养素和电解质；光学传感器可监测温度、酸碱值和氧气水平；成像传感器可检测细菌感染、测量伤口深度和大小。

所有收集到的数据都会汇总到微处理器这个“智慧大脑”中。微处理器会对这些数据进行分析和处理，判断伤口的愈合状态。一旦发现异常，比如炎症加剧、感染扩散或者愈合缓慢等情况，微处理器会控制创口贴中的药物释放模块，精准释放药物。

尽管功能强大，智能绷带的厚度往往只有几毫米，轻薄而舒适，几乎让人感觉不到它的存在。它以一种几乎隐形的方式，为伤口提供全天候的关怀与保护。

智能绷带的应用前景非常广阔。从日常的小擦伤到糖尿病、足溃疡、烧伤等“硬仗”，再到手术后那些需要精心护理的刀口，它都能轻松应对。当然，智能绷带目前还处于不断完善和推广的阶段。但我们有理由相信，在不久的将来，它将成为医疗护理领域的明星产品，像真正的创口贴那样出门就能买到。

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