高灵敏的离子传感技术在生理监测与环境检测等领域发挥着重要作用，开发兼具优异性能与低能耗特性的传感装置是该领域研究的核心目标。传统离子传感装置多基于离子选择性电极，利用特定离子结合带来的电位变化达到检测的目的。然而这种方式需要定制化离子载体修饰，易受环境干扰，并依赖于外部电源驱动，在复杂场景下的应用受到一定限制。
离子伏特效应是一种由于电解质溶液在多孔结构中流动造成局部双电层电荷重排，进而在干湿界面产生电势差的现象。由于离子伏特效应可以实现离子驱动的自发电压或电流输出，因此从原理上为自供电离子传感提供了新思路。然而，现有离子伏特装置多基于合成半导体材料的微纳结构，需要额外的图案化步骤才能实现器件集成。此外这些器件中，离子浓度与输出信号强度间关联性一般，制约了其离子传感的可靠性。
针对这一问题，深圳技术大学的史济东副教授等人开发了一种基于激光诱导石墨烯（LIG）与氧化铟锡（ITO）异质结构的自供电离子传感器（图1）。利用高分子材料激光照射下碳化形成LIG过程中自发形成的多孔结构，以及LIG表面丰富的含氧官能团带来的亲水性，可以实现液滴的迅速扩散与双电层界面电荷的有效迁移，产生局部电位改变。而LIG与ITO功函数的匹配（4.6 eV~4.5 eV）为有效的电压输出奠定了条件。该传感器在10-3 M至2 M的宽浓度范围内，对多种电解质均展现出稳定的浓度-输出电压正相关关系，最高灵敏度达12 mV・M-1，且检测限低至0.8 mM，并具备快速响应、长期稳定性优异等优势（图2）。
图1. LIG/ITO离子传感器设计与制备。(a) LIG/ITO异质结构内离子伏特效应产生示意图。(b) 器件设计示意图。(c) 器件照片。(d) 器件截面结构示意图。(e) 器件制备工艺流程图。
图2. LIG/ITO离子传感器的性能。(a) 向装置中滴入10 mM NaCl溶液的7个循环的电压输出。(b) 单个电压尖峰的放大视图，展示响应与恢复时间特性。(c) 加入不同浓度NaCl溶液时的电压峰高度对比。(d) 本研究中采用的4种盐溶液结构。(e) 离子传感器对4种盐溶液的传感性能。(f) 3 mM NaCl溶液与去离子水电压输出对比。(g) 4种盐溶液的检测限。(h) 器件连续7天响应稳定性测试结果。
基于传感器对离子浓度的可靠检测，该装置可通过不同幅度的电压信号区分不同盐度的人体汗液，从而助力评估人体系统水合状态。此外，传感器也能检测不同运动强度下汗液盐度的变化，为运动健康管理提供数据支持（图3a-3b）。另一方面，该装置可实时追踪海水淡化过程中盐度的降低趋势（图3c-3e），并且还能区分不同类型水样，为海水淡化效率评估与水质快速检测提供了一种有效的方案。
图3.离子传感器的应用。(a) 人体三种不同的出汗状态。(b) 传感器对不同盐度汗液的电压输出响应情况。(c) 海水过滤及滤液盐度分析测试示意图。(d) 传感器对海水样本及经历不同过滤次数的滤液的电压输出响应。(e) 经历5次过滤循环的滤液与去离子水电压输出的对比。
本工作提出了一种基于 LIG/ITO 异质结构的离子伏特器件，并实现了自供电离子传感，该装置对多种电解质溶液展现出稳定的电压响应，兼具高灵敏度、低检测限与良好的长期稳定性，摆脱了现有离子伏特器件在离子浓度定量检测方面的局限，并通过激光直写工艺，有望实现器件的规模化制备与集成。本装置成功应用于人体汗液盐度检测、海水淡化过程监测等实际场景，为生理健康监测与环境传感提供了高效节能的新方案，在下一代智能电子设备集成领域具有广阔应用前景。
该工作以“Laser-induced graphene/ITO heterostructure for self-powered ion sensing via ionovoltaic effect”发表于国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》（一区top，IF：13.2）。文章第一作者为深圳技术大学工程物理学院2022级研究生刘诗语，2024级研究生卢思祁以及2023级本科生郑心怡。通讯作者为深圳技术大学工程物理学院的史济东副教授。深圳技术大学工程物理学院为论文的第一单位。本工作也得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170252
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