新型纳米色素传感器可稳定追踪pH值范围从1到10

韩国研究团队开发了一款新型比色传感器，该传感器具备出色的稳定性和重复性，能够对周围环境的pH变化做出清晰可测的响应。该成果已发表于《微系统与纳米工程》期刊，成均馆大学金东焕（Dong-Hwan Kim）领导的团队表示，这项技术为未来开发更加可靠且经济高效的pH检测设备提供了新的可能性。

在环境监测、食品质量控制以及生物医学检测等多个领域，pH值是评估系统状态的重要参数。当前主流的pH检测方法主要依赖电化学传感器，它们通过测量溶液中电极之间的电位差来推断溶液的酸碱度。

尽管电化学传感器具有高精度和可靠性，但其刚性结构、易受电磁干扰及操作复杂等特性，限制了其在如细胞内微环境等复杂场景中的应用。

比色传感器：灵活但面临挑战

相比之下，比色传感器通过颜色变化反映pH变化，是一种更灵活的替代方案。这类传感器通常基于特定染料，其吸收和反射光的波长会随着pH值的变动而变化，从而产生可观察的颜色转变。研究人员可将这些染料嵌入固体基质中，制成变色薄膜，用于测量环境中的pH。

然而，这类传感器也存在明显缺点。染料容易渗出至环境中，且长期使用稳定性不足。此外，多数比色传感器的检测范围较窄，限制了其在需要宽pH检测窗口的应用场景中的实用性。

为了解决上述问题，金东焕团队设计了一种新的比色传感器材料。他们从磺酞类染料入手，这是一种在分析化学中广泛应用的分子，因其稳定性高、成本低廉、颜色变化明显、反应灵敏以及易于进行化学修饰而备受青睐。

研究人员将这些染料以共价键结合至具有“覆盆子状”结构的硅纳米颗粒上。这种多孔结构提供了极大的比表面积，并成功制备出六种具有不同pH响应特性的纳米色素。

为进一步提高传感器的稳定性并防止染料的渗漏，团队将这些纳米色素嵌入由琼脂和聚氧化乙烯（PEO）构成的聚合物网络中。该网络通过氢键作用固定纳米颗粒，有效增强了材料的机械强度和化学稳定性。

为了扩展检测范围，研究人员将两种具有互补色变行为的纳米色素——溴化硅绿和酚红——混合并整合在同一基质中，以实现更宽的pH响应窗口。

为评估该传感器的性能，金东焕团队将含有纳米色素的薄膜涂布在多种固体基材上，并测试其在pH 1至pH 10范围内的颜色响应。

结果显示，传感器在宽广的pH范围内表现出线性颜色变化：在酸性条件（低pH）下呈现明亮的黄色，在碱性条件（高pH）下逐渐转变为深棕色。值得注意的是，这种颜色变化在多次实验中具有高度重复性，表明材料对染料渗漏和化学降解具有出色的抵抗能力。

研究人员还利用该传感器监测了虾的腐败过程。虾在腐败时会产生多种代谢产物，导致周围环境的pH值上升。实验中，嵌入纳米色素的PEO薄膜被置于虾的包装内，通过实时监测颜色变化，能够准确追踪pH的动态演变。在常温下放置数小时后，颜色变化明显，并随后趋于稳定。

基于上述实验结果，研究团队相信这种新型比色传感器可以在传统电化学pH传感器难以胜任的场合中发挥重要作用。

通过解决染料渗漏、稳定性不足以及检测范围有限等长期困扰该领域的问题，该技术有望为环境监测、食品安全、生物医学检测等领域的pH测量提供一种更耐用、更准确且更具成本效益的解决方案。

Min-Jae Kim 等，无浸出纳米色素用于扩展10 pH单位的线性比色检测，Microsystems and Nanoengineering（2026）。DOI：10.1038/s41378-026-01163-x

期刊信息：微系统与纳米工程

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