新型纳米色素传感器实现pH值从1到10的稳定且可重复检测
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新型纳米色素传感器实现pH值从1到10的稳定且可重复检测
韩国研究团队开发出一种新型变色传感器，能够对周围环境的pH值变化做出清晰、可量化的响应。这项成果发表于《微系统与纳米工程》期刊，由成均馆大学的金东焕（Dong-Hwan Kim）教授及其同事主导。研究团队表示，这种创新方法有望推动未来在各类实际应用中实现更可靠且经济高效的pH测量。
作为评估健康、质量和安全的关键指标，pH值在多个领域，如环境监测和医疗诊断中扮演着核心角色。目前，电化学传感器是最常用的pH检测手段之一，其通过测量浸入溶液中的一对电极之间的电位差来确定酸碱度。
虽然电化学传感器具有高精度和良好的可靠性，但其结构通常较为刚性，容易受到外界电干扰，且在微观环境中（如细胞内）应用存在一定难度。
基于颜色变化的传感机制
与之相比，比色传感器则依赖于颜色的变化来反映pH值的变动。这类传感器通常由特定染料组成，这些染料在不同pH条件下会改变其吸收和反射的可见光波长，从而呈现出可肉眼识别的颜色变化。通过将染料嵌入固体基材中，可以制成变色薄膜，进一步应用于多种基底材料以实现pH测量。
尽管比色传感器具有更高的灵活性，但它们也面临一些技术限制，例如染料容易渗入环境、稳定性不足以及工作pH范围较窄，这在需要宽范围检测的应用中构成障碍。
定制化纳米色素材料的合成
为了解决这些问题，金东焕团队开发了一种新型比色传感器材料。该方法的核心在于合成具有pH敏感性的纳米色素。研究人员首先从磺酞染料入手，这类染料以其高稳定性、低成本、鲜明的颜色变化以及良好的化学可修饰性，在分析化学中广泛应用。
研究人员将这些染料通过共价键方式连接到表面呈“覆盆子状”的硅纳米颗粒上。这种多孔结构赋予了材料极大的表面积，最终得到了六种具有不同pH响应特性的纳米色素。
为了提高材料的稳定性并防止染料流失，团队进一步将纳米色素嵌入由琼脂和聚氧化乙烯（PEO）组成的固态基体中。聚合物网络中的氢键作用有效固定了纳米颗粒，从而增强了整体结构的耐久性。
此外，为了拓宽传感器的pH响应范围，研究人员混合了两种染料——基于溴化硅绿和酚红的纳米色素。这两种染料在不同pH值下表现出互补的变色行为，使最终材料能够覆盖更宽的检测窗口。
线性且稳定的pH响应
在实验测试中，金东焕团队将含有纳米色素的薄膜涂覆在多种固体材料表面，并观察其在pH 1至pH 10范围内的颜色变化。
结果表明，在整个pH范围内，该传感器的颜色变化呈现出明显的线性关系：从低pH条件下的亮黄色逐步过渡到高pH下的深棕色。更令人印象深刻的是，这种响应在多次测试中始终稳定，展现出良好的抗降解和抗染料浸出能力。
为了验证其实际应用价值，研究人员还利用该传感器对虾类的新鲜度进行了监测。随着虾肉腐败，环境逐渐变得碱性，传感器的颜色也随之发生相应变化。
实验中，嵌入传感器的薄膜被放置在包装内部，成功捕捉到了虾肉在室温下随时间推移的pH变化。研究结果显示，在数小时内即观察到显著的颜色转变，随后趋于稳定。
一种具有广泛应用前景的新型pH传感器
基于上述研究成果，金东焕及其研究团队认为，这种新型比色传感器有望在传统电化学pH传感器难以胜任的环境中发挥重要作用。
通过有效解决染料流失、稳定性不足以及检测范围狭窄等长期挑战，该传感器为在健康监测、食品安全以及环境质量管理等领域提供了一种更加耐用、精准且成本可控的替代方案。
相关研究成果由Min-Jae Kim等人发表于《微系统与纳米工程》，题为“用于10 pH单位扩展线性比色pH感测的无浸出纳米色素”，DOI：10.1038/s41378-026-01163-x。
期刊信息：微系统与纳米工程
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