新型纳米色素传感器实现pH 1到10范围内精准稳定检测
早安科技
新型纳米色素传感器实现pH 1到10范围内精准稳定检测
一组来自韩国的研究人员开发出一种具备出色稳定性和重复性的变色传感器，能够准确追踪环境pH值的变化。该成果由成均馆大学的金东焕（Dong-Hwan Kim）团队完成，并发表在《微系统与纳米工程》期刊上。这一创新为实际应用中pH测量的精度和经济性提升提供了新路径。
在诸如环境监测、食品保鲜和医疗诊断等多个领域，pH值是一项关键的指标，直接影响产品质量与安全。传统上，电化学传感器被广泛用于pH检测，其原理是通过测量溶液中一对电极之间的电位差来确定酸碱度。
尽管这类传感器精度高、可靠性强，但在柔性、抗干扰能力及在复杂环境（如细胞内部）中的适用性方面存在明显局限。
比色传感器：一种视觉化的pH检测手段
比色传感器为pH检测提供了另一种方案，其原理是利用染料在不同pH条件下吸收和反射光的变化，从而产生肉眼可见的颜色变化。这类传感器通常被嵌入固体薄膜中，涂覆于基材表面，以实现实时pH监测。
与电化学传感器相比，比色传感器具备更高的灵活性，但在稳定性、染料渗漏问题和适用pH范围等方面仍存在一定瓶颈，限制了其在宽pH检测需求场景中的应用。
创新纳米色素设计拓展检测窗口
为解决上述问题，金东焕团队从分子层面入手，设计并合成了多种新型比色指示剂。研究的第一步是利用磺酞类染料，这类化合物因其优异的化学稳定性、高灵敏度和易于结构修饰而被广泛应用于分析化学。
研究人员将这些染料共价键合到类似覆盆子结构的多孔硅纳米颗粒上，这种结构提供了极大的比表面积，从而制成了六种具有pH响应性的纳米色素。
为进一步增强材料的机械稳定性和防止染料流失，团队将这些纳米色素嵌入由琼脂和聚环氧乙烷（PEO）组成的固体基质中。聚合物网络中的氢键作用有助于稳定纳米结构。
为提升检测范围，他们将两种具有互补pH响应特性的纳米色素（基于溴化硅绿和酚红）混合。通过在单一材料体系中结合这两类染料，研究人员成功构建了具有更宽且更均匀响应区间的新一代比色传感器。
线性响应与稳定性验证
为评估传感器性能，研究团队将含有纳米色素的薄膜涂布于多种基底材料上，并在pH 1至pH 10的宽范围内测试其颜色响应。
实验结果显示，该传感器在不同pH值下表现出颜色从亮黄到深棕的线性变化，并在多次循环测试中保持稳定，显示出良好的抗降解和抗浸出能力。
为了进一步验证其在实际应用中的稳定性，研究人员将传感器嵌入包装中，用于监测虾肉的新鲜度。随着腐败过程的推进，环境中碱性物质增加，传感器颜色发生可观察的转变，表明其具备跟踪食品质量变化的潜力。
迈向更广泛的pH检测解决方案
基于上述实验结果，金东焕团队认为，他们的比色传感器有望在电化学方法难以胜任的应用场景中发挥作用。通过解决传统比色传感器的局限性，如染料渗漏、动态响应范围有限等问题，该技术为更稳定、更精准且经济的环境与健康监测提供了可行路径。
该研究成果以“无渗漏纳米色素实现10 pH单位的扩展线性比色检测”为题，发表于《微系统与纳米工程》期刊。DOI：10.1038/s41378-026-01163-x。
期刊信息：微系统与纳米工程
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