《Chemical Engineering Journal》：Hydrovoltaic-enabled self-powered chemical and biosensing: From interfacial electric double layer to analytical applications
编辑推荐：
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水伏感应利用液-固界面（EDL）的扰动实现自供电信号生成
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蒸发、水分吸附和液滴动态
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水伏感应利用液-固界面（EDL）的扰动实现自供电信号生成
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蒸发、水分吸附和液滴动态控制着水伏感应的机制和输出
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利用水伏自供电感应平台可以检测从离子到细菌的各种分析物
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在材料、架构、机制和信号放大方面仍存在挑战
引言
自供电化学和生物传感技术因其无需外部电源即可运行，以及其在结构上灵活且设备配置简单方面的潜力而受到了广泛关注[1]、[2]、[3]。随着环境监测、食品安全、医疗诊断和可穿戴传感需求的增长，自供电电化学和生物传感技术已从实验室测量逐渐发展成为便携式、长期使用的即时分析系统[4]。各种能量收集策略，包括光伏[5]、热电[6]、摩擦电[7]和压电[8]方法，已被集成到化学和生物传感中。然而，它们的运行通常依赖于特定的环境或机械输入。在这种情况下，水伏技术尤其具有吸引力，因为它们利用无处不在的液态或气态水在环境条件下生成电信号。其自发运行能力、环境兼容性和对多种水源的适应性为开发可持续的自供电化学和生物传感平台提供了机会[9]、[10]。
水伏效应指的是在水-固体界面广泛发生的一类能量转换过程，这些过程源于固体表面与液态或气态水之间的相互作用[11]、[12]、[13]、[14]。蒸发、水分吸附和液滴运动等过程可以在界面双电层（EDL）内诱导电荷分离和非平衡离子传输，从而产生电信号[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。纳米材料的进步通过利用可调节的表面化学性质、纳米级限制和尺寸依赖的传输现象，大大扩展了水伏技术的应用范围，从蒸发、水分和液滴动态中获取电能[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。尽管早期的研究主要集中在能量收集上，但EDL介导的离子到电子的内在过程赋予了这些系统强大的传感能力。离子种类[9]、pH值[28]、水分子[27]和其他特定分析物[29]、[30]、[31]、[32]等参数调节界面离子活性和表面结合。因此，发生在界面处的化学或生物识别事件会改变EDL的性质和界面电荷传输动力学，从而改变水伏输出，如开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、电容和阻抗[33]、[34]、[35]。这种机制实现了直接的信号转换，其中分析物引起的界面扰动被编码为电信号，而无需外部驱动的氧化还原反应。从水伏能量收集到分析物响应信号生成的转变，奠定了水伏传感的概念基础。
最近的研究开始展示这一概念在多种分析物复杂度下的分析潜力[9]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[36]。在离子层面，蒸发驱动的系统能够实现离子传感，其中离子浓度和组成的变化直接影响EDL重叠和离子选择性传输，从而生成稳定的自供电电信号[9]、[37]、[38]。在分子层面，基于吸湿性材料的水伏平台利用水的吸附-解吸过程动态重组界面离子分布，从而将环境湿度变化转化为定量电信号[39]、[40]、[41]。此外，水伏传感已扩展到选择性识别复杂的小分子，包括精氨酸[42]、刚果红[31]和甲醛[32]。对于生物大分子，如木材这样的蒸发驱动的多孔材料被用于蛋白质检测[30]，其中蛋白质吸附和粘度及离子迁移率的变化调节了受限通道内的传输。在更复杂的生物层面，基于液滴的平台已被探索用于细菌检测，因为细菌粘附和表面电荷可以显著改变界面电容、电荷分布和离子传输动力学[43]、[44]。总体而言，这些研究表明，水伏传感在从简单离子和水分子到手性化合物、蛋白质和微生物的各种分析物中都具有显著的灵活性和可扩展性。
尽管取得了这些进展，但从分析化学的角度对水伏自供电化学和生物传感的全面评估仍然缺乏。现有的水伏技术综述主要集中在材料、设备架构、电能生成机制和能量转换性能[22]、[23]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]上，而灵敏度、选择性、检测限、响应时间、重复性、基质效应和实际样品验证等分析特性却相对较少受到关注。这种不平衡使得客观评估水伏传感相较于现有传感技术的优势和局限性变得复杂，并限制了下一代设备的合理设计原则的发展。因此，需要一个系统框架将水介导的EDL扰动与分子识别、信号转换和分析性能联系起来。
本综述及时解决了水伏技术和传感技术融合过程中出现的一系列挑战，提供了面向自供电化学和生物传感应用的概述（图1）。首先，我们阐明了由蒸发、水分吸附和水滴引起的水伏效应的物理化学起源，强调了水-固体界面EDL在水伏传感中的基本作用和重要性。接下来，总结了代表性水伏传感器架构和信号放大策略。随后，从水-固体界面EDL的角度批判性地回顾了水伏技术在化学和生物传感中的最新应用。最后，我们讨论了在机制理解、选择性、标准化、设备集成和实际验证方面的突出挑战，并指出了将水伏传感发展成可靠自供电分析技术的机会。
章节片段
界面EDL驱动的水伏信号生成
在本综述中，水伏传感被定义为分析信号源自由水介导的过程（包括水蒸发、水分吸附、液体流动和液滴动态）引起的界面EDL扰动的传感系统。在水-固体界面上产生的非平衡离子重新分布无需外部电源即可生成内在电信号，从而直接转换化学或生物识别事件
水伏传感设备架构和信号生成
在水伏传感系统中，水-固体界面EDL是核心信号生成区域，在许多情况下，也是化学或生物识别事件干扰离子传输的主要界面。这种独特的耦合使得水伏传感可以通过界面电动力学过程自动生成电信号来运行，而不是依靠外部施加的偏压。因此，理解水伏技术的
水伏驱动的化学和生物传感应用
在水-固体界面的EDL扰动驱动下，水伏传感已从一种能量收集现象发展成为一种多功能自供电分析策略。与依赖外部偏压氧化还原过程的传统电化学传感器不同，水伏传感器通过界面电动力学调制直接将化学和生物识别事件转换为电信号。本节概述了代表性水伏驱动的自供电
结论与展望
水伏传感利用水-固体界面非平衡离子传输产生的内在电信号，实现无需外部电源的自供电化学和生物分析。不同的水传输方式，包括蒸发、水分吸附和液滴动态，会持续或短暂地干扰界面EDL，从而为水伏信号生成建立了统一的物理化学基础。更重要的是，
CRediT作者贡献声明
张琼芳：撰写——原始草稿、方法论、概念化。 范玉瑶：撰写——审稿与编辑、监督。 张雷：撰写——审稿与编辑、方法论。 艾凤香：可视化、方法论。 杨璐玉：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52502099）、江苏省自然科学研究项目（25KJB430006）以及镇江药物疗效与健康风险评估重点实验室（SS2024006）的支持。
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