▲第一作者：陈炜、李阳

通讯作者：孙海定教授、东芳副研究员

原文链接：10.1021/acsnano.5c07003

可穿戴光电系统通常结合微型化、便携式光电传感器使用，能够贴合人体，实现健康监测与环境防护。然而，要开发结构简单、适应复杂工况（如水陆交替环境）且具备高灵敏度与长期稳定性的先进传感器，仍面临挑战。近期，中国科学技术大学孙海定教授团队受两栖生物对光的感知与适应机制启发，提出一种新型水陆两用自供电光电化学传感器。该器件由铟镓氮纳米线/水凝胶异质结构组成，其中水凝胶的抗膨胀和离子特性赋予了器件优异的跨介质响应能力，使其在陆地和水下环境中均表现出一致的光响应性能。进一步，通过调控铟镓氮纳米线的带隙，并在其表面引入碳层钝化，该器件实现了对太阳光中有害紫外波段（280–420 nm）的高选择性检测，且展现出了高响应率（130.7 mA/W）和快速的响应速度（<10 ms）。基于该器件，搭建了一个适用于滨水环境的两栖紫外监测系统，在不同的天气条件下，均表现出优异的全天候两栖紫外监测能力。该成果为构建适用于复杂环境下的可穿戴光传感器提供了新思路，并推动了高性能、多功能的水陆两用光电系统的发展。

在可穿戴健康监测和环境感知领域，光电传感器因其非侵入性、高灵敏度和便携性，正成为关键技术之一。然而，传统固态传感器在湿润、水下等极端环境中往往面临封装复杂、柔性差和性能下降等挑战。近年来，光电化学（PEC）器件凭借其水环境兼容性和自供能特性，为构建下一代柔性、环境自适应传感系统提供了全新思路。尽管PEC设备无需传统防水封装，即可在水中运行，但其液态结构的柔性和稳定性仍是亟待解决的问题。因此，开发具备高稳定性、环境适应性的新型PEC传感器架构，将为穿戴式光电子系统在极端条件下的实时监测和智能响应打开新局面。

紫外线被称为皮肤健康的“隐形杀手”，而在滨水区域，这一威胁尤为严重。由于水面的菲涅耳反射效应，滨水地区的紫外线强度往往比内陆高出20–30%。有趣的是，生活在海岸潮间带的招潮蟹，进化出独特的“两栖紫外感知”机制—它们的复眼内含对紫外线高度敏感的视锥细胞，可实时监测空气与水中紫外线强度梯度。受此启发，本工作采用铟镓氮纳米线作为光感受部分，开发了一种基于水凝胶/铟镓氮纳米线异质结构的水陆两栖紫外传感器。

图1. 基于水凝胶/InGaN纳米线异质结水陆两栖光传感器的设计

纳米线的大表面体积比通常会导致高密度表面态的存在，高密度表面态可以作为载流子捕获中心或引入固定的费米能级（费米能级钉扎效应），从而降低光电压并显著影响器件的光电性能。为了解决这些限制并进一步提升器件的性能，我们提出了一种适应独特电解质环境的超薄碳层钝化策略。

图2. 碳层修饰InGaN纳米线的材料表征

通过理论计算与实验表征系统研究了碳层修饰对纳米线性能的影响。密度泛函理论（DFT）计算表明，在铟镓氮表面引入碳层能够有效抑制中间态的产生。进一步的PL和TRPL测试显示，碳层修饰后纳米线PL强度降低，载流子寿命显著提升（由0.34 ns增至1.21 ns），说明光生电子-空穴对分离效率增强，复合减少。开路光电压（OCP）与电化学阻抗谱（EIS）进一步验证了碳层修饰有效的抑制了表面陷阱态和降低了界面电荷转移阻力。这些结果共同证明，碳层的引入有效降低了表面态的影响，增强了载流子的分离与转移效率。

图3 InGaN纳米线表面碳层钝化机理分析

进一步对器件的光电性能进行了系统分析。结果表明，碳层修饰显著提升了纳米线器件的紫外光响应性能。在385 nm紫外光照射下，器件响应度由3.3 mA/W大幅提升至130.7 mA/W，增强近40倍；同时，其响应/恢复时间缩短至7.7 ms/7.2 ms，表现出快速响应能力。此外，器件还展现出出色的“水陆两栖”紫外检测性能—在无任何封装的情况下，器件可直接在水下工作，且在空气与水下环境中均保持稳定且一致的光响应特性，体现出良好的环境适应性和实用潜力。

图4. 水凝胶/InGaN纳米线光传感器的两栖光响应行为

更重要的是，该器件在280–420nm波段内表现出强烈光响应，而在420nm以上几乎无响应，展现出优异的紫外选择性。在此基础上，我们构建了一个水陆两用的紫外监测系统，实现了对不同天气条件下环境UV强度的实时监测，包括晴天、阴天、多云及雨天。值得注意的是，即便在阴天，系统仍可检测到超过1mW/cm²的紫外辐射，提示公众“阴天同样需要防晒”。此外，系统还实现了从06:00至18:00的全天候UV强度连续监测，结果显示中午12–14点为UV暴露高峰期，且水下紫外强度在此时段甚至可与陆地持平，对海边活动人群的防护具有重要参考意义。

图5. 两栖紫外线辐射监测系统的应用演示

总的来说，该水陆两栖UV光传感器不仅具备高灵敏、高选择性、快速响应特性，还具备极强的环境适应性，是构建个性化智能防晒系统的理想组件，为未来可穿戴健康监测设备提供坚实基础。

该工作以“A Quasi Solid-State Hydrogel/InGaN Nanorod Heterostructure-Enabled Amphibious Sensor for Stable and Cross-Medium Optical Sensing and Monitoring”为题发表在《ACS Nano》上，并入选封面论文。该研究联合武汉大学刘胜院士团队的东芳和梁康教授共同完成，并受到了国家自然科学基金委的支持。