新型变色纳米色素传感器实现pH 1至10范围的稳定测量
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新型变色纳米色素传感器实现pH 1至10范围的稳定测量
韩国科学家研发出一种具备稳定颜色响应特性的新型pH传感器，该传感器能够在pH 1至10的广泛范围内实现重复性良好的读数。这项成果由成均馆大学金东焕教授团队主导，相关研究已发表于《微系统与纳米工程》期刊。该技术有望推动更可靠、更经济的pH检测方案在多个实际场景中的应用。
无论是环境监测还是医疗诊断，pH值始终是衡量系统健康状况、质量与安全的核心参数。当前，广泛使用的pH检测方法是电化学传感器，通过测量电极间的电位差来评估溶液酸碱度。
尽管电化学传感器具备高精度和良好的可靠性，但其刚性结构和对电干扰的敏感性，使其在如细胞内微环境等复杂条件下的使用受到限制。
比色传感器：一种灵活替代方案
一种更灵活的替代方法是比色传感器，这类传感器依赖特定染料在不同pH环境下吸收和反射不同波长的可见光，从而产生显著的颜色变化。这种染料可被嵌入固态基体中，制成变色薄膜并涂布于基底上，用于pH监测。
虽然比色传感器比电化学方法更具柔韧性，但也存在诸多限制，例如染料易流失、长期稳定性差，并且多数只能在有限的pH范围内工作，这降低了其在需要宽泛检测范围场景中的实用性。
定制化纳米色素设计
为克服上述问题，Kim团队开发出一种创新的比色传感材料。该方案以磺酞染料作为基础成分，这种染料因其高稳定性、低成本、明显颜色变化及良好的反应性而广泛应用于分析化学。
研究人员将这些染料通过共价键结合至具有“覆盆子状”表面结构的硅纳米颗粒上，形成多孔结构以增加表面积，从而合成出六种不同的pH响应型纳米色素。
为进一步提升传感器的稳定性和防止染料渗漏，团队将这些纳米色素嵌入由琼脂和聚氧化乙烯（PEO）组成的固态基体中，利用聚合物网络中丰富的氢键结构固定纳米颗粒。
为了拓宽pH响应范围，研究人员还混合了基于溴化硅绿和酚红的两种纳米色素，这两种材料在不同pH环境下表现出互补的颜色变化，使得整体响应窗口更加均匀且宽泛。
广谱且线性响应的pH测量
实验中，Kim团队将该纳米色素薄膜涂布于不同基材表面，并测试其在pH 1至10范围内的颜色响应。结果表明，在该范围内，颜色与pH之间呈现良好的线性关系：在低pH时表现为鲜明的黄色，而在高pH条件下则转变为深棕色。
值得注意的是，传感器在多次重复测试中表现出了高度一致性，显示出出色的抗浸出性和抗降解能力。
研究人员进一步测试了该传感器在监测虾类新鲜度方面的应用。随着虾肉腐败，其代谢产物增加，导致环境碱性增强。通过将传感器薄膜置于包装内部，能够实时追踪pH变化。实验结果显示，pH变化在数小时内出现显著转变，随后趋于稳定。
耐用且精确的pH检测技术
基于上述实验表现，Kim教授及其团队认为，这种新型比色传感器有望在传统电化学传感器难以胜任的环境下发挥关键作用。
该技术通过解决染料流失、稳定性不足及检测范围有限等长期技术难题，为未来健康监测、食品安全及环境质量评估提供了更可靠、更经济的解决方案。
Min-Jae Kim 等人，无渗漏纳米色素用于10个pH单位扩展线性比色pH传感，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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