固体所在全固态离子选择性电极的转导机制研究方面取得新进展

近期，中国科学院合肥物质院固体所环境材料与污染控制研究部李培华博士等构筑了由亲脂性阴离子触发快速离子-电子转导的高稳定全固态钙离子选择性电极，并通过同步辐射技术揭示了固体转导层参与电位响应时的作用机制。相关研究成果以“Highly Stable Solid Contact Calcium Ion-Selective Electrodes: Rapid Ion-Electron Transduction Triggered by Lipophilic Anions Participating in Redox Reactions of CunS Nanoflowers”为题，作为补充封面发表在Analytical Chemistry (Anal. Chem., 2024, DOI: 10.1021/acs.analchem.4c00590)。

全固态离子选择性电极以其操作简便、反应迅速等优势广泛应用在水质和体液分析中。然而，长期稳定性测试过程中的电位漂移问题影响着测量结果的准确性，阻碍了全固态离子选择性电极的进一步实际应用。固体接触层作为离子-电子信号相互转化的转导者，其电容和疏水性是影响电位稳定性的关键。因此，设计具有大电容且高疏水的转导层，并探究其在参与电位响应时的作用机制对全固态离子选择性电极稳定性的提高以及转导层材料的精准设计具有重要的指导意义。

此前，研究团队通过构筑SnS2-MoS2异质结作为转导层稳定界面电位 (ACS Sens. 2024, 9, 1, 415-423)，发现SnS2-MoS2的界面电子可通过Sn-S-Mo异质结自发地从SnS2转移到MoS2，从而调节表面电子结构并加速电子转移以增大电容。以SnS2-MoS2异质结为转导层构建的钠离子选择性电极实现了对钠离子的稳定高效检测。基于此，团队利用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 对CuS进行表面疏水调控，合成了兼具优异氧化还原电容和高疏水性的CunS-50纳米花，以CunS-50为转导层构建的全固态钙离子选择性电极在浓度为10-1 ~ 10-7 M的线性范围内实现了对钙离子的稳定检测。

研究人员进一步利用同步辐射技术发现，离子选择性膜中的亲脂性阴离子 (TFPB-) 在电位响应时转移到ISM/CunS-50界面，参与CunS-50中Cu+/Cu2+的氧化还原过程，促进自由电子的产生，加速了离子-电子的转导，将离子信号转化为电子信号传输到导电衬底，从而稳定电极电位。该工作为全固态离子选择性电极的氧化还原转导机制提供了更深入的理解，并为由亲脂性阴离子引发离子-电子转导的氧化还原型固体转导层材料的设计提供了新思路。

上述研究工作得到了国家重点研发计划项目、中国科学院青年创新促进会及国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c00590

图1. 封面图。

图2. CunS-50参与电位响应的机理探究：(a-b) CunS-50/Ca2+-ISE对TFPB-在o-NPOE溶液中的电位响应和校准曲线； (c) 归一化Cu K边XANES光谱； (d) 归一化S K边XANES光谱； (e, f) 长期电位稳定性测试前后ISM/CunS-50界面的截面电镜图。