微量水传感器 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
几种常用的微量氧传感器简介
什么是微量氧传感器？它们都是如何工作的？在当今的工业环境中，氧气的含量对工业生产有着重要的影响，因此经常进行测量。仪器市场上有各种各样的产品，但在测量原理上，微量氧气变送器/分析仪的测量原理主要有四种：
1.在有氧的情况下放出电子的化学反应——电化学微量氧传感器
2.饱和极限电流与周边环境中的氧气浓度成正比——极限电流氧传感器
3.荧光材料暴露在氧气中时发出的光强度的猝灭变化——光学微量氧传感器
4.在氧化锆在高温下两边氧浓度差形成电动势差——氧化锆氧传感器
SenzTx系列氧气分析仪
一、
电化学微量氧分析仪采用完全密封的燃料电池O2氧传感器，是目前世界上氧测量方法之一。燃料池氧传感器由高活性氧电极和铅电极组成，浸入KOH溶液中。氧气在阴极被还原成氢氧根离子，铅在阳极被氧化。
KOH 溶液通过聚合物薄膜与外部隔开。样气不直接进入传感器，因此溶液和铅电极不需要定期清洗或更换。样气中的氧分子通过聚合物薄膜扩散到氧电极中进行电化学反应。电化学反应产生的电流由扩散到氧电极中的氧分子数量决定，氧的扩散速率与样气中的扩散速率成正比。
典型的电化学微量氧传感器厂家美国AII、特利丹、GE等品牌。可以测量的氧浓度范围0-10PPM是它的特点，在低氧监控时的选择。爱尔兰Ntron基于电化学微量氧传感器设计的SenzTx-100系列微量氧变送器将电化学氧传感器输出的微弱信号转化成常规使用的电信号。
二、极限电流氧气传感器——极限电流型微量氧变送器
测量原理，在氧化锆固态电解质中流动的电流导致氧气从负极移动到正极（充当氧气泵）。 如果氧气流向负极受到氧化铝基板的限制，则会产生电流饱和区域，并且无论施加的电压如何，都会流过相同的电流。 流过的电流称为极限电流。 当施加固定电压时，电流与氧气浓度成正比。常规用于0-1000PPM以及以上的测量场合，当低于10PPM时，由于氧化锆的固有特性，此时微水，CO2都能产生电流变化，因此不建议用于该浓度以下的场合。
三、荧光微量氧传感器
荧光氧传感器基于氧的荧光猝灭原理。它们依靠使用光源、光检测器和对光起反应的发光材料。在许多领域，基于发光的氧气传感器正在取代电化学O2氧气传感器。
荧光氧测量技术基于有机金属荧光染料的发光猝灭。由于有用的金属到配体电荷转移 (MLCT) 过程，染料在可见光谱的蓝色域吸收，并在橙红色域显示出强烈的荧光。氧的存在会猝灭荧光强度（下图1）以及染料的荧光寿命，因为氧分子与处于激发态的染料发生碰撞，导致荧光分子更快地返回其基态。因此，存在的氧越多，荧光强度和寿命的下降幅度越大。
荧光染料的荧光强度和寿命（衰减）的变化与氧分压 (ppO2) 成正比——见图 2。荧光衰减测量原理是被动的、可逆的和稳健的，并且在检测过程中不消耗氧气。过程。出于这个原因，荧光染料的荧光寿命与 ppO2 的变化导致校准的、具有大动态范围的小型化氧传感器。
LuminOx 还包含一个可选的气压传感器，它允许传感器计算和输出除 ppO2 之外的 O2%。常规的测量范围0-1000PPM，0-25%Vol
光学微量氧传感器
四、氧化锆氧气传感器——耐高温氧化锆微量氧变送器
氧化锆氧气传感器其氧化锆 (ZrO2) 是一种陶瓷，是一种具有离子传导特性的固体。当温度达到600℃以上时，ZrO2成为良好的氧离子导体。
铂电极烧结在氧化锆电解质的每一侧。当氧化锆两侧的氧分压不同时，氧分压较高的一侧的氧以离子的形式迁移到氧分压较低的一侧，产生氧分压。高侧的铂电极失去电子变为正极，而低氧侧的铂电极接收电子并产生负电，从而在两个铂电极之间产生氧势差。这个电位只与温度恒定时两侧气体中氧含量的差异（氧浓度差）有关。如果一侧的含氧量已知（例如空气中的含氧量恒定），则另一侧的含氧量（例如手套箱内的微含氧量）可以用氧浓度势来表示。如果测量氧浓度电位，就可以知道待测气体中的氧含量。
氧化锆氧气分析仪Microx-231
微量氧气分析仪的典型应用：
食品包装、储存和吹扫气体监测。空气分离装置、氮气吹扫焊接系统、钢瓶气体质量。手套箱、车间空气监测、监测。化学过程中氧含量的自动分析；半导体、磁性材料生产；浮法玻璃、水泥建材行业；自动分析各种工业炉、热处理过程中的氧含量，以及电子元件、制药等的科学研究。
相关问答
微 水传感器 原理?微水测量仪是专门用于空气、氮气、惰性气体以及任何不含腐蚀性介质的气体的微水检测仪器,微水测量仪的工作原理是什么?微水测量仪由气路部分、传感器部分、信...
微量水 的检测-盖德问答-化工人互助问答社区目前微量的只能用露点仪,很方便快捷的,不行就来个在线的看来只能用露点仪了,我们装了一个在线的,怀疑它不准,想用其他途径验证,试过用五氧化二磷恒...
麻烦同志们我想了解!!江西便携式 微量水分 测试仪多少钱一台，...[回答]其实想要了解它的价钱还是需要从各个比如说大家所选择的微量水分测定仪品牌是哪一个?或许很多人在选择,没有考虑到它的品牌问题,其实品牌知名度的大...
帮忙回一下!专业 微量水分 测试仪价格表， 微量水分 测试仪安全...[回答]你这个数据有点不对劲,可能是使用的非国标测试仪器。一般皮肤水分和油分在肌肤中是处于平衡状态,并不是水分增加,油分就必须减少的。在理想状态下水...
智慧农业所用的典型 传感器 及其输出形式?1、温湿度传感器:温室大棚中使用温度湿度传感器可以促进植物的生长,温湿度传感器是物联网农业智能环境监测系统的重要部件。当温室大棚监测系统安装后,操作人...
微量 氧分析仪标定问题-盖德问答-化工人互助问答社区这是个什么鸟品牌,大家听说过么?楼主最好让厂家去给您解决问题,这种不知名的厂家的产品,网上可能连资料都找不到。北京久兴隆售后服务质量不咋地...
求助，H2O2 传感器 中，测试i-t曲线时，应该如何加入H2O2。-盖...按照你的恒电压再试试,还有就是做这个的过程中是否搅拌。如果没搅拌可能开始都不会有梯度,到某一浓度以后梯度梯度特别高...嗯嗯,非常感谢!!1h2...
哪位资深人士 麻烦回答一下 浙江可替代MTS的水利液位 传感器 ...[回答]武汉静磁栅机电制造有限公司凭借旗下“JCS”品牌系列的现有成熟产品,已成功应用在国内外多个大型水利水电项目中,积极支持中国水利水电的发展,并延...
水管测漏原理?当地下输气管道发生腐蚀性穿孔、断裂必然产生气体的微量泄漏,在地面沟井、下水道等处缓慢扩散。检漏仪将含有可燃气体的空气,通过气泵送到传感器时,检测元件的...
水 喷雾喷头原理是什么?_住范儿家装官网水喷雾灭火系统在组成上与雨淋系统基本相同,由水雾喷头、管网、过滤器、雨淋阀组、给水设备、消防水泵以及自动探测控制设备等组成。系统的自动开启...