Nanoenergy Advances ：中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队：双通道TENG探针用于饮用水中铅离子检测。论文标题：Dual-Channel TENG Probe for Pb2+ Detection in Drinking Water
论文链接：http://www.mdpi.com/2673-706X/6/3/22
期刊名：Nanoenergy Advances
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanoenergyadv
作者简介
王中林 院士
中国科学院北京纳米能源与系统研究所
本文通讯作者，主要从事材料科学和纳米科学研究。现为纳米能源所所长、首席科学家，中国科学院外籍院士、英国皇家工程院院士、欧洲科学院院士、欧洲工程院院士、美国国家发明家科学院院士、加拿大工程院外籍院士、韩国科学技术院外籍院士；中国科学院大学讲席讲授。曾获得国际综合性科技大奖爱因斯坦世界科学奖（Albert Einstein World Award of Science）、世界能源与环境领域最高奖—埃尼奖（Eni Award），全球能源奖（Global Energy Prize）、汤森路透引文桂冠奖等国际科技奖项，2026年6月获北京市突出贡献中关村奖。
张金洋 副研究员
中国科学院北京纳米能源与系统研究所
本文通讯作者，研究领域为液-固界面接触起电机理，摩擦纳米发电机探针及化学分析与界面化学反应，取得了一系列创新性研究成果。其中以第一作者/通讯作者在Chemical Reviews，J. Am. Chem. Soc. (3篇)，Angew. Chem. Int. Ed.，Nat. Commun.，Adv. Mater., ACS Nano (4篇)，Nano Energy，Small，ACS Cent. Sci.，Energy Environ. Sci. 等期刊发表SCI论文25篇。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目(C类)，荣获国家优秀留学生奖学金，入选北京市海外高层次青年人才。
顾广翔
中国科学院北京纳米能源与系统研究所
本文共同第一作者，中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士生。主要研究方向为摩擦纳米发电机探针在传感系统中的应用，迄今在 Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy、Small、Nanoenergy Advances 等期刊上发表9篇论文，其中以第一作者发表论文5篇。
刘启恒
中国科学院北京纳米能源与系统研究所
本文共同第一作者，中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士生。主要研究方向为摩擦纳米发电机探针在传感系统中的应用，迄今在 Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy、Nanoenergy Advances 等期刊上发表5篇论文，其中以第一作者发表论文3篇。
研究背景
确保饮用水安全是全球公共卫生的核心挑战。随着工业化和城市化进程的加快，重金属污染日益严重，对生态系统和人类健康构成持续威胁。在各种重金属中，铅由于其高毒性和环境持久性而特别令人关注。铅离子（Pb2+）可以通过多种途径进入人体，包括饮用水源和供水管道的二次污染。即使长期暴露于极低浓度，也会对神经和免疫系统以及肝肾功能造成不可逆转的损害，并严重影响儿童的智力发育和生长。世界卫生组织已将饮用水中铅的暂定指导值设定为10 μg/L。因此，迫切需要开发一种简便、快速、便携、实时的饮用水铅离子检测技术。
传统的铅离子检测方法，如分光光度法、电化学法和原子吸收光谱法，不仅检测限低（如伏安法可达0.1 μg/L，原子吸收光谱法可达2 μg/L），而且大多依赖笨重的实验室设备、复杂的样品前处理和外部电源，难以实现现场实时监测。如何在家庭、水源地等场景实现便捷、快速、自供电的铅离子检测，成为亟待突破的技术瓶颈。
文章导读
来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士及张金洋副研究员团队在Nanoenergy Advances期刊上发表了题为Dual-Channel TENG Probe for Pb2+ Detection in Drinking Water的研究论文。研究团队设计了一种基于双通道液-固摩擦纳米发电机（TENG）探针的无线检测系统，用于饮用水中铅离子的精准识别。该TENG探针利用不同浓度铅离子水溶液与摩擦电固体薄膜之间固-液界面电荷转移行为的差异，产生可区分的摩擦电信号。通过集成无线电压信号采集模块和Wi-Fi远程传输，并结合一维卷积神经网络（1D CNN）深度学习算法，系统实现了对饮用水中铅离子浓度的自动特征提取与高精度分类识别。
实验结果表明，该TENG探针在1 ppb至100 ppb浓度范围内，输出电压随铅离子浓度增加呈线性下降趋势，对包括世界卫生组织安全阈值10 ppb在内的多个浓度水平实现了99.62%的识别准确率。这一自供电传感+深度学习的协同策略，为饮用水安全的智能化、分布式监测提供了全新范式。
研究内容
1. 双通道TENG探针的设计与工作机制
该双通道TENG探针以PMMA为支撑基底，在其上附着两条独立的铜电极，电极上方覆盖30 μm厚的FEP薄膜作为固体摩擦层（如图1b所示）。当含有铅离子的水滴在FEP表面滑动时，由于FEP的强电负性，电子从水分子转移至FEP表面，使FEP带负电、液滴带正电（生成H2O+）。H2O+在极短时间内（<50 fs）与邻近水分子反应生成OH自由基和H3O+。随后，液滴中的阳离子（包括H3O+和Pb2+）由于静电引力被吸附至带负电荷的FEP表面。因此，当液滴在铜电极上方滑动时，可以产生可测量的感应电压信号。
图1 用于水中铅离子检测的双通道TENG探针。
研究团队系统优化了影响输出性能的关键参数，包括液滴释放高度、探针倾斜角度、电极宽度和电极间距。结果表明：释放高度从3 cm增至9 cm时，输出电压从1.86 V升至5.27 V；倾斜角度从40°增至60°时，输出电压从1.15 V升至1.86 V；电极宽度为1 cm时输出达到最优。在超过200次液滴测试中，第一电极的电压波动控制在14%以内，展现出良好的输出稳定性。
图2 液滴滴落条件和电极参数对输出性能和稳定性的影响。
2. 铅离子浓度检测的机理与性能
研究团队使用1 ppb、10 ppb、30 ppb、50 ppb、70 ppb和100 ppb六种标准铅离子溶液评估检测性能。结果显示，随着铅离子浓度从1 ppb增至100 ppb，双通道TENG探针输出电压均逐渐降低，第一电极峰值电压从0.132 V线性下降至0.074 V。其机理在于：当液滴中铅离子浓度升高时，更多的的Pb2+被吸附至带负电的FEP表面，产生更强的电荷屏蔽效应，削弱了FEP表面的有效电荷量，从而导致感应电荷幅度减小，宏观上表现为输出电压的逐步降低。这一机制为利用摩擦电信号定量检测铅离子浓度提供了坚实的物理化学基础。
图3 Pb2+浓度检测机理。
3. 无线智能检测平台与深度学习识别
研究团队将双通道TENG探针与无线采集模块集成于一体，采集的双通道电压信号经ADC模数转换后，通过Wi-Fi模块实时传输至智能显示设备。整个流程涵盖数据采集、预处理、模型训练和浓度识别四个环节。在深度学习方面，团队构建了一维卷积神经网络（1D CNN）模型，包含四个卷积层、一个扩展层、两个全连接层和一个输出层，能够自动从原始复杂时间序列摩擦电信号中提取高区分度的深度特征。针对去离子水和六种不同浓度铅离子溶液，共采集1400个标注样本（每种浓度200次独立测试），其中80%用于训练、20%用于识别。在1D CNN辅助下，系统实现了99.62% 的识别准确率。
图4 饮用水中Pb2+检测平台的设计与应用演示。
总结与展望
该研究设计并制备了双通道TENG探针，巧妙利用了不同浓度铅离子在固-液界面接触起电行为上的差异，产生高度可区分的摩擦电信号。结合无线电压信号采集模块和Wi-Fi远程传输，实现了信号的实时采集与显示。更重要的是，1D CNN深度学习算法的引入，使系统能够自动提取和分类信号特征，实现了对包括世界卫生组织安全阈值10 ppb在内的多个浓度水平的精准识别。这一自供电传感+深度学习的协同策略，不仅克服了原位铅离子检测的技术瓶颈，更为智能饮用水安全监测开辟了新范式。该成果有望在未来集成至便携式和物联网（IoT）水质监测设备中，推动饮用水安全智能化、分布式预警系统的发展。
Gu, G.; Liu, Q.; Gao, H.; Zhang, J.; Wang, Z.L. Dual-Channel TENG Probe for Pb2+ Detection in Drinking Water. Nanoenergy Adv. 2026, 6, 22. https://doi.org/10.3390/nanoenergyadv6030022
期刊介绍
主编：Prof.Dr. Ya Yang
Nanoenergy Advances (ISSN 2673-706X) 是一个国际型开放获取英文学术期刊，期刊发表内容涉及纳米能源各个方面的原始实验和理论研究，包括纳米材料和纳米技术在能源应用方面的科学研究 (如能量收集、转换、存储和利用)。
2025 Impact Factor：4.2
2025 CiteScore：7.9
Time to First Decision：26.7 Days
Acceptance to Publication：7.8 Days
来源：Nanoenergy Advances
