新型变色纳米色素传感器可稳定追踪pH值范围1至10
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新型变色纳米色素传感器可稳定追踪pH值范围1至10
韩国研究团队开发出一种新型变色传感器，能够以可重复且稳定的方式对环境pH值进行响应。相关成果由成均馆大学金东焕（Dong-Hwan Kim）教授团队主导，发表于《微系统与纳米工程》（Microsystems and Nanoengineering）。该技术有望推动更可靠、更具成本效益的pH检测在多个实际应用场景中的应用。
在环境监测、食品保鲜、医疗诊断等领域，pH值是评估系统状态、质量与安全性的重要参数。当前最常用的pH检测方法依赖电化学传感器，其工作原理是通过测量一对电极在电解质溶液中的电位差。
虽然电化学传感器具备高精度与可靠性，但其结构刚性较大，容易受电磁干扰，并在某些复杂微环境中（如细胞内部）难以应用。
比色法提供灵活替代方案
相较于电化学方法，比色传感器是一种更具柔性且直观的检测方式。这类传感器通过特定染料随pH变化而吸收或反射不同波长的可见光，从而表现出颜色变化，形成直观的pH响应。
尽管比色传感器具备良好灵活性，但其仍面临诸多挑战，如染料可能渗漏、长期稳定性差，以及pH响应范围较窄，限制了其在需要宽动态范围的应用中的实用性。
工程化纳米色素拓展检测能力
为解决上述问题，金教授团队通过设计和合成新型比色材料，开发出一种具备高稳定性的纳米色素传感器。研究人员以磺酞类染料为基础，这类染料以其高反应性、低成本、显著的颜色变化和良好的化学修饰能力而被广泛用于分析化学。
团队将这些染料共价偶联至形貌类似覆盆子的硅纳米颗粒上。由于这些纳米颗粒具有多孔结构和大比表面积，最终得到了六种具有pH响应能力的纳米色素。
为增强系统的稳定性并防止染料流失，研究者将这些纳米色素嵌入由琼脂和聚环氧乙烷（PEO）构成的复合基体中。其中，聚合物网络通过氢键作用有效地固定了纳米颗粒。
为了扩大pH检测范围，团队结合了两种具有互补颜色响应特性的染料——基于溴化硅绿与酚红的纳米色素。这种组合使传感器在更广pH范围内保持良好的线性响应。
宽范围pH检测与线性响应
在测试中，研究人员将含有纳米色素的薄膜涂覆于多种基材表面，并在pH 1至pH 10的宽范围内进行颜色响应评估。
实验结果表明，该传感器在这一范围内呈现出显著的线性颜色变化：pH值较低时呈现明亮的黄色，随着碱性增强逐渐过渡为深棕色。更关键的是，这种颜色变化在多轮测试中高度一致，显示出出色的抗降解和抗浸出能力。
研究人员还利用该传感器对虾类的新鲜度进行了评估。在虾腐败过程中，代谢副产物的积累导致局部pH值上升。嵌入PEO基体的纳米色素薄膜被置于包装内部，通过颜色变化连续追踪pH演变。
测试显示，在常温下放置数小时内，颜色响应明显变化，并最终趋于稳定，表明该系统可有效用于食品新鲜度的实时监控。
耐用且实用的pH感测新方法
基于上述实验结果，金教授团队认为其比色纳米传感器能够在电化学方法难以胜任的场景中发挥重要作用。
该方法成功克服了染料渗漏、稳定性差以及检测范围窄等长期存在的技术瓶颈，为健康监测、食品安全和环境质量控制提供了更耐用、更精准、更具成本优势的解决方案。
Min-Jae Kim 等，用于10 pH单位扩展线性比色pH感测的无浸出纳米色素，Microsystems and Nanoengineering（2026）。DOI：10.1038/s41378-026-01163-x
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