CO₂既是全球气候调节的关键温室气体，也是室内空气质量的核心指标 —— 密闭空间浓度超 1000ppm 就会降低认知能力、危害健康。因此，对CO₂进行精准、实时的监测至关重要。

但传统检测技术始终存在短板：

• 红外传感器：成本高、依赖精密光路，易受灰尘、振动、湿度干扰；

• 化学 / 金属氧化物传感器：灵敏度低，需特殊催化剂才能区分 CO₂与其他气体；

• 热导 / 质量敏感传感器：室温下选择性、灵敏度不足，难以满足低浓度监测需求。

开发一款低成本、高灵敏、高选择性的室温 CO₂传感器，成为环境监测与健康防护的迫切需求。

仿生灵感：复刻生物体内 CO₂感知机制（赖氨酸氨甲酰化反应），实现特异性识别；

技术创新：将生物识别与离子电子水凝胶结合，首次实现惰性气体的高效离子信号转换；

性能碾压：检测限低至 76ppm、线性响应、28 天稳定工作，抗干扰能力强；

环境适配：低湿度（10% RH）下仍有效，无需复杂工况控制，适配日常场景。

敏感单元：赖氨酸

扮演“分子受体”的角色，其ε-氨基官能团能够与CO₂发生可逆的氨基甲酰化反应，生成带负电的氨基甲酸酯。这是传感器选择性的来源。

传导基质：PEGDA水凝胶

构成离子传导网络，为质子的“跳跃”传导提供通道。其醚氧单元与CO₂之间存在偶极-四极矩相互作用，能增强CO₂在凝胶中的溶解度。

交联网络

使用PETMP作为交联剂，通过紫外光引发的硫醇-烯点击化学反应，将赖氨酸牢固地固定在PEGDA网络中，形成坚固且柔韧的敏感薄膜。

灵敏度与线性：随着CO₂浓度升高，传感器的阻抗显著增加。其中，赖氨酸含量为80%的传感器（80% Lys）性能最佳，灵敏度远高于其他配比。

选择性测试：在CO₂与多种干扰气体（100ppm）的对比测试中，传感器仅对CO₂（2000ppm）产生强烈的正响应，而对其他气体的响应微弱甚至为负响应，表现出卓越的选择性。

长期稳定性：传感器在28天内经历多次循环测试，响应信号没有明显衰减，证明了其优异的可靠性。

识别：CO₂与赖氨酸的 ε- 氨基发生可逆氨甲酰化反应，形成带负电的氨甲酸盐；

传导干扰：负电氨甲酸盐通过静电作用捕获质子，破坏水凝胶中 “Grotthuss 型质子传导路径”（类似质子 “跳跃” 的通道被阻断）；

信号输出：传导路径受阻导致传感器阻抗显著增加，通过阻抗变化反推 CO₂浓度。

室内环境监测：实时追踪办公室、教室、车辆内 CO₂浓度，联动通风系统，保障健康与认知效率；

植物生理监测：精准捕捉植物呼吸 / 光合作用的 CO₂变化（如多肉植物昼夜 CO₂波动），助力农业种植与生态研究；

便携监测设备：低功耗设计适配随身仪器，可用于户外大气 CO₂采样、密闭空间安全检测；

技术延伸：该 “生物机制→人工材料” 的设计思路，可推广到其他惰性气体传感器开发，拓展离子电子技术的应用边界。

Jiyuan Xue, et al. "Bioinspired Iontronic Gas Sensor for Selective CO₂ Sensing via Reversible Lysine Carbamylation". ACS Sensors 2025, 10, 7538–7548.

https://doi.org/10.1021/acssensors.5c01661