新型纳米色素传感器实现pH值从1到10的稳定检测

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成均馆大学的研究人员开发出一种具备出色稳定性的变色传感器，能够准确响应周围环境的pH值变化。这项成果发表于《微系统与纳米工程》期刊，由金东焕教授及其团队主导，旨在推动更高效、经济的pH检测技术在多个应用场景中的普及。

比色传感器用于监测腐烂虾的pH变化。图片来源：金敏宰等人。

无论是环境监测、食品质量控制，还是医疗诊断，pH值都是评估系统健康状况、材料性能与安全性的核心参数之一。传统上，电化学传感器被广泛用于pH测量，其工作原理基于测量浸入溶液中电极间的电位差。

尽管电化学传感器具有高精度和高可靠性，但它们的结构通常较为刚性，容易受到电磁干扰，且在如细胞内微环境等复杂应用中部署困难。

比色传感器：一种灵活的替代方案

相比之下，比色传感器通过特定染料在不同pH值下的颜色变化提供直观的视觉读数。这类传感器通常采用薄膜形式，将染料嵌入固体基体，并覆盖于目标表面上，以实现pH值的温度补偿测量。

虽然比色传感器具备良好的柔性优势，但仍然存在一些限制，包括染料易迁移、长期稳定性差，以及检测范围较窄等问题，这在需要宽泛pH响应的应用中尤为明显。

为了解决这些问题，金东焕团队设计并合成了新型纳米色素材料。其核心成分是磺酞类染料——一种在分析化学中广泛应用的分子，因其出色稳定性、低成本、高灵敏性以及良好的可修饰性而备受青睐。

研究人员将这些染料共价连接到具有“覆盆子状”结构的硅纳米颗粒上，形成具备高度表面活性的多孔纳米结构。通过这一策略，团队成功制备出六种对pH响应显著的纳米色素。

为增强材料的稳定性并防止染料迁移，团队将纳米色素嵌入由琼脂和聚环氧乙烷（PEO）组成的复合基体中。该聚合物网络通过氢键作用有效固定纳米颗粒，从而提升传感器的持久性。

为了实现更宽的pH响应范围，研究团队将基于溴化硅绿和酚红的两种纳米色素组合使用。这两种染料在不同pH范围内表现出互补的变色行为，最终在混合体系中实现了连续且均匀的响应窗口。

研究人员通过将嵌入纳米色素的薄膜涂覆在多种固体基底上，验证了其在pH 1至10范围内的检测能力。测试结果显示，颜色变化与pH值之间存在良好的线性关系，从低pH时的亮黄色逐步过渡到高pH时的深棕色。

此外，在多次测试循环中，该传感器展现出高度重复性和抗降解能力，证明其具备良好的耐用性。

在进一步的实验中，研究团队将PEO基体中的纳米色素薄膜应用于虾肉包装，用于追踪其新鲜度变化。随着虾肉腐败，环境逐渐碱化，传感器通过颜色变化清晰反映了pH值的升高。

测试显示，在室温下存放数小时内即可观察到显著的颜色转变，随后趋于稳定，验证了该传感器在食品质量监控领域的实用性。

基于该研究的结果，金东焕团队期望其开发的比色传感器能在电化学pH传感器难以胜任的环境中发挥更大作用。通过解决染料渗出、动态响应范围受限等长期问题，该技术有望为环境监测、健康评估以及工业过程控制提供一种更可靠、更经济的解决方案。

Min-Jae Kim 等人，用于10单位pH范围扩展线性比色检测的无渗漏纳米色素，《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

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