韩国的化学家开发了一种稳定的变色传感器，能够对周围环境的pH值产生易于量化的响应。该研究发表在《微系统与纳米工程》期刊上，成均馆大学的金东焕及其同事表示，他们的方法有望为更可靠、更经济的pH测量在各种实际场景中开辟道路。

从环境监测到医疗诊断，pH值是健康、质量和安全的重要指标。目前，评估环境是更酸性（pH较低）还是碱性（pH更高）最广泛使用的工具是电化学传感器，它们测量浸入溶液中时一对电极之间的电位差。

尽管它们高度准确可靠，但它们也非常刚性，容易受到电干扰，且在实际测量中应用起来往往困难——比如细胞内部的微观环境中。

变色传感器

另一种方法是使用比色传感器：这些特殊设计的染料会随着pH变化改变吸收和反射可见光的波长，产生明显的色移。这些染料可以嵌入固体基体中，形成变色薄膜，然后涂覆在基底上，以提供环境温度的pH值测量。

尽管这些传感器比电化学传感器更灵活，但它们也存在缺点：包括染料会渗入环境，以及长期稳定性有限。此外，它们通常在较窄的pH范围内工作，使得在需要宽检测窗口的应用中不那么实用。

特别工程的纳米色素

为了应对这些挑战，Kim的团队采用了更深入的方法，合成了比色指标。他们首先从两个关键成分工程化纳米色素开始。第一种是被称为磺酞染料的一类分子——因其卓越的稳定性、低成本、易于区分的颜色、高反应性以及相对容易的化学修饰而被广泛应用于分析化学。

研究人员随后将这些染料共价键合于覆盆子状的硅纳米颗粒上：这些多孔纳米结构具有极大表面积——产生了六种不同且对pH敏感的纳米色素。

为了进一步提升稳定性并防止染料浸出，团队将纳米色素嵌入一个固体琼脂/聚氧化乙烯（PEO）基体中，聚合物网络中的氢键帮助固定颗粒。

最后，为了扩大pH检测范围，他们混合了两种基于溴化硅绿和酚红的纳米色素——这两种染料对pH表现出互补的变色反应。通过将这些元素合并在同一矩阵中，研究人员旨在实现更宽广、更均匀的感测窗口。

线性pH感测

为了测试性能，Kim团队将嵌入纳米色素的薄膜涂覆在多种固体基底上。随后，他们分析了周围pH值从极酸性到高碱性变化的颜色反应。

在从pH 1到pH 10的广泛范围内，指示剂显示颜色与pH之间呈明显线性关系：从低pH时的亮黄色到高pH时的深棕色。值得注意的是，这种行为在多次测量周期中保持一致，显示出对染料浸出和降解的强烈抵抗力。

团队随后通过监测虾的新鲜度，展示了传感器的稳定性。随着虾腐败，化学副产物积累，当地环境变得越来越碱性。

研究人员将嵌入纳米色素的PEO薄膜放入包装内，能够通过颜色响应追踪pH变化，观察虾在室温下放置时的变化。测量显示，数小时内发生了明显的转变，随后趋于平稳。

耐用且准确的传感器

基于这一表现，Kim及其同事希望他们的比色指示器能够应用于电化学pH传感器可靠性较低的广泛场景。

通过克服染料浸出、稳定性有限和动态范围狭窄等长期挑战，他们的方法最终有望提供更耐用、更准确且经济实惠的健康、安全和环境质量监测方法。

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

期刊信息：微系统与纳米工程