新型纳米色素传感器实现pH值1至10的稳定追踪

成均馆大学研究团队开发出一种新型变色传感器，能够在广泛pH范围内提供稳定且可重复的读数。这项成果发表于《微系统与纳米工程》，由金东焕教授及其研究团队主导。

变色传感器用于监测腐烂虾的pH变化。图片来源：Min-Jae Kim 等。

作为环境监测与医疗诊断等领域的关键参数，pH值在判断物质状态、产品安全及生命活动方面具有重要意义。当前主流的pH测量技术依赖于电化学传感器，它们通过测量电极间的电势差来评估环境的酸碱性。

尽管电化学传感器具备高精度和良好的可靠性，但其刚性结构易受电磁干扰，并在某些微观应用中（如细胞内部）操作困难。

比色法的新突破

相较之下，比色传感器因其更灵活的特性而受到关注。这类传感器通过染料对可见光的吸收与反射变化来实现颜色转变，从而直观反映环境pH值。这些染料可嵌入固体薄膜，涂覆在各类基底上，实现pH测量。

然而，传统比色传感器仍存在一些局限性，如染料易迁移、稳定性差，并且检测范围有限，难以满足需要宽泛pH检测的应用需求。

为了突破上述瓶颈，金教授团队采用了一种创新的材料合成策略。他们以磺酞染料为基础，这是一种广泛应用于分析化学的染料，因其高稳定性、低成本、易于识别的色彩变化和良好的反应性而受到青睐。

研究团队将这些染料共价接枝于多孔的“覆盆子状”硅纳米颗粒表面，形成了六种不同pH响应的纳米色素。为了进一步提高系统稳定性，研究者将这些纳米颗粒嵌入由琼脂和聚氧化乙烯（PEO）构成的聚合基质中，利用其中的氢键作用固定颗粒，防止染料流失。

为了拓展传感器的检测范围，研究人员结合了两种互补型染料——基于溴化硅绿和酚红的纳米色素。这两种材料在不同pH值下表现出不同的颜色响应，共同作用于同一基质，从而实现更广泛而均匀的pH检测。

研究团队在多种基底上涂覆了含有纳米色素的薄膜，并对其在pH 1至pH 10范围内的响应行为进行测试。

结果显示，在整个检测范围内，颜色变化与pH值呈良好线性关系：从pH值较低时的亮黄色，逐渐过渡到pH值较高时的深棕色。更重要的是，这种颜色响应在多次测量中保持高度一致，表明材料具备良好的重复性与抗降解能力。

在实际应用场景中，研究团队将该薄膜用于监测虾类食品的新鲜度。虾类腐败过程中会释放出碱性副产物，导致包装内pH值上升。通过在包装内部嵌入薄膜传感器，研究人员成功追踪了pH值的变化过程。结果表明，在数小时内pH值显著上升，随后趋于稳定。

基于上述性能优势，研究团队认为该传感器系统有望替代在某些场景中表现不佳的电化学传感器。

该比色传感器克服了传统染料迁移、稳定性不足和动态响应范围有限等问题，为医疗监测、食品安全及环境检测等领域提供了一种更耐久、更准确且更具成本效益的解决方案。

相关成果发表在《微系统与纳米工程》期刊，题为“用于10个pH单位线性比色检测的无浸出纳米色素”（Min-Jae Kim 等, 2026）。DOI: 10.1038/s41378-026-01163-x

期刊信息：微系统与纳米工程

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