新型纳米色素传感器实现pH值1至10的稳定、可重复监测
韩国研究团队开发出一种新型变色传感器，能够在多种环境中提供稳定且可重复的pH值测量。这项由成均馆大学金东焕教授及其团队主导的研究发表于《微系统与纳米工程》（Microsystems and Nanoengineering）期刊，展示了该技术在实际应用中的巨大潜力。
作为衡量健康状态、材料质量和环境安全的关键参数，pH值广泛应用于从医疗诊断到环境监测的多个领域。目前，最主流的测量方法为电化学传感器，其原理是通过检测浸入溶液中的一对电极之间的电位差来评估酸碱度。
虽然电化学传感器具备较高的精度与可靠性，但它们存在一定的局限性，例如结构刚性、易受电干扰以及在复杂或微小环境（如细胞内部）中难以操作。
色彩响应型传感器的创新
相较于电化学方法，比色传感器是一种替代方案，其核心是利用染料分子在不同pH条件下吸收和反射可见光波长的变化，从而产生可观察的色彩变化。此类传感器可被嵌入固体基质中，形成变色薄膜，并可用于测量特定环境下的pH值。
尽管比色传感器具有更高的柔性和适应性，但它们也面临诸多挑战。例如，传统染料容易渗出，导致信号不稳定，且长期稳定性较差，同时其有效检测范围通常较窄，限制了在宽pH范围内的应用。
纳米级结构设计提升性能
为解决这些局限，金教授团队采用了一种新的策略，合成出具备优异性能的比色纳米材料。研究首先以磺酞染料为基础，这种染料以其稳定性强、成本低、颜色变化明显、反应灵敏以及便于化学修饰而被广泛应用于分析领域。
研究人员将这些染料通过共价键结合到多孔的硅纳米颗粒上，形成类似覆盆子结构的纳米材料。这种结构提供了极大的表面积，从而实现了六种具有不同pH响应特性的纳米色素。
为了增强材料的稳定性并防止染料渗出，研究团队进一步将这些纳米色素嵌入琼脂与聚氧化乙烯（PEO）组成的聚合物基体中，利用基体内部的氢键作用力固定纳米颗粒，提高整体的机械与化学稳定性。
此外，研究人员还通过混合基于溴化硅绿与酚红的纳米色素，利用它们对pH的互补响应，拓展了检测的pH范围。这种组合方式使传感器能够在更宽泛的pH范围内实现一致的响应。
广谱pH检测与应用验证
在实验中，研究团队将含有纳米色素的薄膜涂敷于不同基材上，并测试其在pH 1至10范围内的颜色变化。结果显示，颜色变化与pH值之间存在清晰的线性关系：从酸性条件下的亮黄色逐渐过渡到碱性环境下的深棕色。
更重要的是，这种变化在多次测试中表现出高度重复性，显示出该传感器对染料流失和降解具有良好的抗性。
为验证其在实际场景中的可行性，研究团队将嵌入纳米色素的PEO薄膜应用于虾类新鲜度的监测。随着虾的腐败，其代谢产物逐渐积累，导致内部环境逐渐偏碱。传感器能够通过颜色变化实时追踪pH变化，并在室温条件下实现数小时内的显著响应。
面向未来的pH监测解决方案
基于上述表现，研究团队认为该比色传感器有望在传统电化学方法难以胜任的场景中发挥重要作用。通过解决染料渗出、稳定性差和检测范围有限等长期问题，该技术为实现更耐用、更精确且更具成本效益的pH检测方法提供了可行路径。
研究论文《用于10单位pH线性比色监测的无渗出纳米色素》（Min-Jae Kim et al., No-leaching nanochromophores for 10 pH unit extended linear colorimetric pH sensing）发表于《微系统与纳米工程》期刊。DOI：10.1038/s41378-026-01163-x。
期刊信息：微系统与纳米工程