新型纳米色素传感器实现从pH 1到10的稳定、可重复检测
新型纳米色素传感器实现从pH 1到10的稳定、可重复检测
由韩国研究人员开发的一种新型变色纳米色素传感器，能够在广泛pH范围内提供稳定且可重复的响应。该研究成果发表于《微系统与纳米工程》（Microsystems and Nanoengineering），由成均馆大学的金东焕（Dong-Hwan Kim）团队主导，展示了其在现实应用中具备提升可靠性与经济性的潜力。
在环境监测、医疗诊断等多个领域，pH值是评估物质健康状态、产品质量与安全水平的重要参数。当前，电化学传感器仍是测量pH的主要工具，其工作原理基于电极间在溶液中浸入时的电位差。
尽管电化学传感器具备高精度与可靠性，但它们的结构较为刚硬，容易受到电磁干扰，且在某些微观应用场景中（如细胞内部）使用受限。
基于颜色变化的传感方案
作为一种替代方案，比色传感器利用染料在不同pH条件下的光吸收和反射特性变化，从而呈现出明显的颜色转变。这类染料可以被嵌入固体基体中，形成变色薄膜，进而涂覆于检测基底上，实现非侵入式的pH测量。
然而，现有比色传感器也面临若干挑战，如染料易渗漏、长期稳定性不足，以及适用的pH范围较窄，难以满足需要宽检测窗口的应用需求。
纳米色素设计提升传感器性能
为解决上述问题，金东焕团队设计并合成了一种新型比色指示剂。他们首先以磺酞染料为基础，这种化合物因其结构稳定、成本低廉、颜色分明、反应灵敏且易于化学修饰，广泛应用于分析化学领域。
研究人员将这些染料通过共价键结合到多孔的、覆盆子状硅纳米颗粒表面，形成六种具有不同pH响应特性的纳米色素。为进一步增强其结构稳定性并防止染料流失，团队将这些纳米色素嵌入琼脂与聚氧化乙烯（PEO）构成的复合基体中，通过聚合物网络中的氢键作用实现有效固定。
为了扩大检测范围，研究团队还采用了两种具有互补变色行为的染料——溴化硅绿和酚红，并将其整合在同一基体中，从而实现pH检测范围的扩展。
实验验证：从酸性到碱性的广泛响应
在实验验证中，研究团队将含有纳米色素的薄膜涂覆于不同基材上，并观察其在pH 1至pH 10范围内的颜色响应。结果显示，颜色变化与pH值之间呈现出良好的线性关系，从低pH时的亮黄色到高pH时的深棕色。
更值得关注的是，该响应在多轮测试中保持高度一致，表明传感器具有较强的抗降解和抗染料流失能力。此外，研究团队还利用该传感器监测了虾的腐败过程。
应用前景：精准追踪食品新鲜度
随着虾类腐败，其代谢产物积累，导致局部环境逐渐碱化。研究团队将嵌入纳米色素的PEO薄膜置于虾类包装内，通过颜色变化追踪pH变化。实验显示，该传感器能够在数小时内检测出明显的变化，并在后续趋于稳定。
基于这一表现，金东焕团队认为其开发的比色传感器有望广泛应用于传统电化学传感器难以胜任的场景，如食品质量监控、健康监护以及环境检测等领域。
相关研究成果由Min-Jae Kim等发表在《微系统与纳米工程》，题为《无浸出纳米色素用于10 pH单位扩展线性比色pH感测》。DOI：10.1038/s41378-026-01163-x
期刊信息：微系统与纳米工程
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