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

积水监测用什么传感器？常见的积水监测传感器有哪些

在当今城市化进程加速的时代，城市内涝问题日益凸显。频繁的暴雨天气导致道路积水，给人们的出行带来极大不便，甚至威胁到生命财产安全。为了有效应对这一问题，精准的积水监测至关重要。而在积水监测中，选择合适的传感器是关键的一步。那么，积水监测到底用什么传感器呢?

随着气候变化和城市发展，极端天气事件愈发频繁，城市排水系统面临着巨大的压力。及时准确地监测积水情况，能够为城市管理者提供决策依据，提前采取措施进行排水和交通疏导，减少内涝造成的损失。同时，积水监测也有助于评估城市排水系统的运行状况，为后续的规划和改造提供数据支持。

二、常见的积水监测传感器类型

1、压力式传感器

压力式传感器通过测量水对传感器表面的压力来判断积水深度。其优点是精度较高，稳定性好，但安装和维护相对复杂。

2、超声波传感器

超声波传感器利用超声波在空气中的传播速度和反射原理来测量积水深度。它具有非接触测量、安装方便等优点，但在恶劣环境下可能会受到干扰。

3、电容式传感器

电容式传感器根据水的介电常数与空气不同的原理来检测积水。其响应速度快，但测量范围相对较窄。

4、浮子式传感器

浮子式传感器通过浮子随水位的升降来反映积水深度。结构简单，但精度相对较低。

三、地埋式积水监测仪的优势

在众多积水监测传感器中，万宾科技地埋式积水监测仪脱颖而出，成为了市场上备受青睐的选择。

1、高精度测量

采用先进的传感技术，能够实现毫米级的积水深度测量，为城市管理者提供精确的数据支持。

2、稳定性强

经过严格的环境测试和优化，能够在各种恶劣天气和复杂环境下稳定运行，确保数据的可靠性。

3、易于安装和维护

地埋式的设计，安装简便，不影响道路美观和交通。同时，维护成本低，降低了使用的门槛。

4、智能预警

预设阈值，一旦积水超过警戒线，立即触发预警，与城市排水管网智能调度系统无缝对接，有效缓解内涝。

5、多参数监测

除了积水深度，还可以同时监测路面积水漏电，消除行人触电安全风险。

四、地埋式积水监测仪作用

1、城市排水系统优化

通过实时监测积水数据，城市管理者可以了解排水系统的薄弱环节，有针对性地进行改造和优化，提高排水效率。

2、交通疏导

及时将积水信息发布给交通部门，便于采取封路、限行等措施，引导车辆避开积水路段，保障交通安全。

3、应急响应

在暴雨等极端天气下，为应急救援部门提供准确的积水位置和深度信息，助力快速开展救援工作。

4、智慧城市建设

作为智慧城市的重要组成部分，为城市的智能化管理提供数据支撑，提升城市的运行效率和服务质量。

五、总结

地埋式积水监测仪为城市积水管理提供了强有力的支撑。它不仅是提升城市防洪排涝能力的关键工具，更是推动智慧城市建设和可持续发展的重要力量。万宾科技将持续技术创新，与各方合作伙伴共同努力，为构建更加安全、智慧、绿色的城市环境贡献力量。

近年来，国家高度重视城市内涝治理工作，出台了一系列政策措施，加大对城市排水防涝设施建设的投入。在这样的政策背景下，积水监测市场迎来了广阔的发展空间。同时，随着物联网、大数据等技术的不断发展，积水监测传感器也将朝着智能化、集成化、高精度的方向不断演进。万宾科技地埋式积水监测仪以其卓越的性能和智能化的解决方案，为城市积水监测提供了强有力的支撑。

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