新型变色纳米色素传感器可稳定追踪pH值变化

知语 20260326

韩国科研团队开发出一种基于纳米材料的变色传感器，能够对环境中pH值的细微变化做出稳定且可重复的响应。这项研究成果发表于《微系统与纳米工程》杂志，由成均馆大学金东焕（Dong-Hwan Kim）领导的团队完成。该技术有望为工业、医疗及环境监测领域提供一种更可靠、更经济的pH测量手段。

pH值是判断环境、生物体或材料健康状况的重要参数，在诸如水质监测、食品保鲜和临床诊断等多个领域中具有广泛应用。目前最常见的测量方法依赖电化学传感器，其通过检测溶液中两电极间的电势差来评估酸碱度。

然而，此类传感器存在一定的局限性。例如，它们往往结构较为刚性，且易受电磁干扰，因此在细胞内等微小环境中操作难度较大。

为克服这些限制，研究者转向了比色传感器技术。这类传感器依赖于染料在不同pH条件下的颜色变化，从而提供直观的视觉读数。通过将这些染料嵌入固体基体中，可制成薄膜形式，实现对pH的可视化检测。

尽管比色传感器具备更强的柔性和适应性，但它们也面临诸如染料渗漏、稳定性差以及检测范围有限等问题，这在某些需要宽pH范围响应的应用中成为制约因素。

为了应对上述挑战，Kim团队设计了一种基于纳米材料的改进型传感器。该方法首先围绕两类关键化学结构展开：一类是磺酞染料，因其具备良好的化学稳定性、高反应性、鲜明的颜色以及易于改性，被广泛用于分析领域。

研究团队将这些染料共价连接到多孔硅纳米颗粒表面，形成类似覆盆子结构的纳米材料，从而制备出六种具备pH响应特性的纳米色素。为进一步提升其稳定性和防止染料泄漏，研究人员将纳米材料整合进琼脂与聚氧化乙烯（PEO）组成的复合基质中，利用其中的氢键作用固定颗粒。

为了扩展pH检测范围，该团队结合了两种具有互补变色行为的染料：溴化硅绿和酚红。通过将其共嵌入同一材料体系中，实现了更宽泛的检测窗口。

为验证其性能，Kim团队将含纳米色素的薄膜涂覆于多种基底材料上，并测试了其对不同pH值的响应。在pH值从1到10的范围内，该传感器展现出明确的颜色变化趋势，从低pH下的亮黄色逐渐过渡到高pH下的深棕色。

值得注意的是，这种颜色变化在多次测量中表现出良好的重复性和稳定性，表明染料未发生浸出或降解。

为验证其在实际场景中的应用潜力，团队进行了虾类新鲜度监测实验。当虾腐败时，其释放出的化学物质使周围环境逐渐碱化。研究人员将嵌有纳米色素的PEO薄膜置于包装内部，成功追踪到pH的变化过程。在数小时内观察到颜色明显转变，随后趋于稳定。

Kim及其团队表示，这种新型传感器有望在那些传统电化学pH传感器难以胜任的复杂或动态环境中发挥重要作用。

通过解决染料渗漏、稳定性差和检测窗口窄等长期问题，这一创新方法为开发更耐用、更精准且更具成本效益的pH传感技术提供了新的可能性。

Min-Jae Kim 等，无浸出纳米色素用于10个pH单位扩展线性比色pH感测，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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