新型变色纳米色素传感器实现pH值1至10范围的稳定检测
新型变色纳米色素传感器实现pH值1至10范围的稳定检测
成均馆大学的金东焕（Dong-Hwan Kim）及其团队研发出一种新型变色传感器，能够在广泛的pH范围内提供稳定且可重复的读数。该成果发表于《微系统与纳米工程》（Microsystems and Nanoengineering）期刊，为未来在多个应用场景中实现可靠、低成本的pH测量提供了新的可能性。
pH值作为衡量环境健康、质量及安全的重要参数，广泛应用于环境监测、生物医学检测和食品工业等领域。目前，主流的pH检测工具是基于电化学原理的传感器，通过测量电极间电位差来判断溶液酸碱性。然而，这类传感器刚性较强，容易受到电磁干扰，且在复杂或微观环境（如细胞内部）中的应用存在局限。
比色传感技术的潜力与挑战
一种替代方案是比色传感器，其核心原理是利用特定染料在不同pH环境下对可见光的吸收和反射波长发生变化，从而产生肉眼可见的颜色变化。这些染料可被整合进固态基质中，形成可涂覆于各种基材上的变色薄膜，进而实现环境pH值的直观测量。
尽管比色传感器具有柔性和直观读数的优势，但仍面临染料渗漏、长期稳定性不足以及检测范围狭窄等问题，限制了其在需要广泛pH响应范围的应用场景中的实用性。
工程化纳米色素提升传感器性能
为解决上述问题，金东焕团队设计并合成了一类新型比色指示剂。他们首先选用了磺酞类染料作为基础组分，这类化合物因具备高反应性、良好稳定性、明显颜色区分度及易于化学修饰的特性，被广泛应用于分析化学。
研究人员将这些染料共价连接到具有多孔结构的硅纳米颗粒表面，形成“覆盆子状”的纳米结构，极大地提升了比表面积。通过该方法，团队成功制备出六种具有不同pH响应特性的纳米色素。
为进一步增强传感器的稳定性和防止染料释放，研究团队将这些纳米色素封装于琼脂/聚氧化乙烯（PEO）复合基体中。聚合物网络中的氢键作用有助于固定纳米颗粒，从而提升整体结构的机械和化学稳定性。
拓展pH响应范围
为实现更宽的pH检测窗口，研究人员混合了两种分别基于溴化硅绿和酚红的纳米色素。这两种染料在不同pH范围内表现出互补的比色响应，通过将它们整合到同一基质中，传感器的检测范围扩展至pH 1至10。
实验测试中，研究团队将含有纳米色素的薄膜涂覆于多种固体表面，并观察其在不同pH环境中的颜色变化。结果显示，该传感器在广泛pH范围内表现出线性响应特性：当pH值较低时呈现亮黄色，随着碱性增强，颜色逐渐转为深棕色。更为重要的是，这种响应在多次循环测试中保持一致，证明了传感器具备优异的重复性和抗降解能力。
实际应用验证：虾类新鲜度监测
研究团队还对传感器在实际环境中的应用潜力进行了测试。他们在虾的包装内放置该薄膜传感器，通过监测虾在室温下的pH变化，评估其新鲜度。随着虾的腐败，体内代谢产物累积，局部pH升高，传感器颜色发生明显转变，并在数小时内趋于稳定。
前景与价值
基于以上实验结果，金东焕团队认为，这种无渗漏、高稳定性和宽检测窗口的比色传感器，有望在传统电化学传感器难以胜任的复杂环境中实现更精准、更经济的pH测量。
该研究题为“用于10 pH单位扩展线性比色pH检测的无渗漏纳米色素”，发表于《微系统与纳米工程》（2026），DOI：10.1038/s41378-026-01163-x。
期刊信息：微系统与纳米工程
查看全文
作者最近更新
-
海康云眸音频传感产品体验日活动圆满举行感知俱乐部
06-05 19:13 -
高新兴深度参与电动自行车国标制定，新规将于2026年10月1日正式施行感知俱乐部06-01 18:11
-
2026 a&s Top 数字化产品与解决方案获奖榜单重磅发布感知俱乐部05-31 17:23
评论0条评论