美国和澳大利亚研究人员开发了一种基于光学原理的新型pH传感器

据麦姆斯咨询报道，为了替代传统的石蕊试纸，美国和澳大利亚的一支国际研究小组正在研发一种基于光学原理的新型pH传感器，它可以在不干扰被监测生物系统的情况下，为用户读取实时的pH值，并保持一段时间连续的信号记录。

相关研究结果近期发表在传感器领域知名期刊Sensors and Actuators B上。研究人员认为，这款尚处于概念验证实验阶段的传感器，还可以作为其它类型生物组织传感器的设计基础。

该篇论文的合著者、美国国家标准与技术研究院（NIST）的化学家Zeeshan Ahmed表示，这种多功能的pH传感器可用于生物组织工程或监测癌症等疾病的进展。他说，监测组织的关键属性，比如pH值，可以极大地帮助研究牙齿、心脏、骨骼等组织的生长能力。

“我们的主要动机是开发一系列非侵入性的测量工具，使生物组织研究人员无需从培养箱中取出细胞或仪器，能无干扰地追踪其细胞培养的健康状况。”Ahmed说：“我们从pH值测量开始，因为它在我们合作者的愿望清单上排名第一。接下来可能是用于研究骨骼形成的钙离子检测器。”

图1：美国和澳大利亚的研究人员开发了一种非侵入性、即时测量液体pH值的方法，该方法使用了激光光源、光纤探头以及一些基本的化学试剂。

跨学科技术

这种新型概念器件结合了光子学和化学的技术。研究团队成员主要来自美国美利坚大学和澳大利亚昆士兰科技大学，他们使用光纤器件来测量发色团吸收光之后释放的热量，这些发色团吸光后pH值和颜色会显著改变。

发色团被合并到交联的水凝胶涂层中，该涂层上涂覆了被刻蚀成布拉格光栅结构的小光纤。温度或压力的变化会改变穿过光栅的光的波长，从而光纤可作为一种光子温度计。pH值可以通过分析光热光谱随时间变化而记录下来，或在特定时刻通过发色团基质的颜色变化而直接读取。

Ahmed说：“这是这项技术的重要优势。这种发色团染料可以为您提供即时的反馈，利用光热光谱分析你可以记录能获取定量信息的信号。”

颜色变化实现连续测量

众所周知，利用石蕊或其他材料的颜色变化可以测量pH值或其他环境参数。研究人员在他们的光子系统中，将温度与pH值引起的颜色变化关联起来。他们将传感器放在装有石蕊或红甘蓝溶液的玻璃管中，这些溶液的颜色会随pH值变化而改变，正如高中化学常见的实验演示。

然后研究人员通过另一根光纤向溶液中引入红光或绿光。通过人为改变溶液的pH值，他们可以将溶液的颜色变化与两种光照下从传感器读取的温度变化相关联。

图2：实验演示图四宫格：在一组实验中，培养皿中装有酚红溶液，酚红溶液的颜色根据酸度变化（深黄色表示pH值小；红色表示pH值较大）。根据它的颜色变化，可以判断液体吸收的绿光和蓝光孰多孰少。吸收光后液体的温度变化，可以通过光纤探头来测量，由于可以判断确切的液体颜色，从而可以评估pH值。

工作范围广

Ahmed说，概念验证的实验进行测量的pH值范围很宽，从4到10。正在进行的研究表明，光子pH测量精度可达±0.13 pH单位，并且稳定性至少持续三周，比传统测量时间更长。更重要的是，研究人员说，相比使用笨重的电极和电缆的商用pH传感器，光子pH传感器具有体积小、抗结垢或堵塞等显著优势。

“到目前为止，验证时间最长的实验已经进行了一个月，在此期间，我们的传感器没有出现任何统计学上明显的漂移。”Ahmed说，“目前，传感器性能的下降与我们使用的激光光源的性能下降有关。用质量更好的LED光源替代这些光源可以改善该问题。”

本论文另一位合著者、美利坚大学化学家兼NIST客座研究员Matthew Hartings说：“这些传感器可以为人们提供生物组织生长和疾病进展的实时信息。”他指出，传统的基于贝克曼pH计的传感器虽然可以测量氢离子浓度，但只能提供一系列快照，而光学传感器可以提供连续信息，相当于疾病的“GPS导航”应用。

水凝胶的优势

Ahmed说，研究小组发现，使用水凝胶时，发色团对光的吸收和热量的转化效率会有所提高。他认为这是因为水凝胶使得入射光和光纤温度计有更好的共定位，以及小的实验体积。

在概念验证实验中，“激光一旦射入溶液，就会被吸收，从而加热最靠近玻璃管表面的水层。在这种情况下，光纤温度计通常要距离玻璃管前一到两毫米处，这样它测量其周围的温度变化就少了。通过将所有材料都放在水凝胶里，传感器就能够更靠近光吸收最多的区域。”

当问及如何实现这种光学pH传感器从概念验证到实际应用，Ahmed提到了一个关键词“组装”，他补充道：“我们正在研究将发色团染料和两根光纤（光纤温度计和引入激光的光纤）合并到水凝胶基质中。这不仅可以改善传感器的性能，而且还便于传感器的操作。

责任编辑；zl