【導讀】據麥姆斯咨詢報道，為了替代傳統的石蕊試紙，美國和澳大利亞的一支國際研究小組正在研發一種基于光學原理的新型pH傳感器，它可以在不干擾被監測生物系統的情況下，為用戶讀取實時的pH值，并保持一段時間連續的信號記錄。
相關研究結果近期發表在傳感器領域知名期刊Sensors and Actuators B上。研究人員認為，這款尚處于概念驗證實驗階段的傳感器，還可以作為其它類型生物組織傳感器的設計基礎。
該篇論文的合著者、美國國家標準與技術研究院（NIST）的化學家Zeeshan Ahmed表示，這種多功能的pH傳感器可用于生物組織工程或監測癌癥等疾病的進展。他說，監測組織的關鍵屬性，比如pH值，可以極大地幫助研究牙齒、心臟、骨骼等組織的生長能力。
“我們的主要動機是開發一系列非侵入性的測量工具，使生物組織研究人員無需從培養箱中取出細胞或儀器，能無干擾地追蹤其細胞培養的健康狀況。”Ahmed說：“我們從pH值測量開始，因為它在我們合作者的愿望清單上排名第一。接下來可能是用于研究骨骼形成的鈣離子檢測器。”
圖1：美國和澳大利亞的研究人員開發了一種非侵入性、即時測量液體pH值的方法，該方法使用了激光光源、光纖探頭以及一些基本的化學試劑。
跨學科技術
這種新型概念器件結合了光子學和化學的技術。研究團隊成員主要來自美國美利堅大學和澳大利亞昆士蘭科技大學，他們使用光纖器件來測量發色團吸收光之后釋放的熱量，這些發色團吸光后pH值和顏色會顯著改變。
發色團被合并到交聯的水凝膠涂層中，該涂層上涂覆了被刻蝕成布拉格光柵結構的小光纖。溫度或壓力的變化會改變穿過光柵的光的波長，從而光纖可作為一種光子溫度計。pH值可以通過分析光熱光譜隨時間變化而記錄下來，或在特定時刻通過發色團基質的顏色變化而直接讀取。
Ahmed說：“這是這項技術的重要優勢。這種發色團染料可以為您提供即時的反饋，利用光熱光譜分析你可以記錄能獲取定量信息的信號。”
顏色變化實現連續測量
眾所周知，利用石蕊或其他材料的顏色變化可以測量pH值或其他環境參數。研究人員在他們的光子系統中，將溫度與pH值引起的顏色變化關聯起來。他們將傳感器放在裝有石蕊或紅甘藍溶液的玻璃管中，這些溶液的顏色會隨pH值變化而改變，正如高中化學常見的實驗演示。
然后研究人員通過另一根光纖向溶液中引入紅光或綠光。通過人為改變溶液的pH值，他們可以將溶液的顏色變化與兩種光照下從傳感器讀取的溫度變化相關聯。
圖2：實驗演示圖四宮格：在一組實驗中，培養皿中裝有酚紅溶液，酚紅溶液的顏色根據酸度變化（深黃色表示pH值小；紅色表示pH值較大）。根據它的顏色變化，可以判斷液體吸收的綠光和藍光孰多孰少。吸收光后液體的溫度變化，可以通過光纖探頭來測量，由于可以判斷確切的液體顏色，從而可以評估pH值。
工作范圍廣
Ahmed說，概念驗證的實驗進行測量的pH值范圍很寬，從4到10。正在進行的研究表明，光子pH測量精度可達±0.13 pH單位，并且穩定性至少持續三周，比傳統測量時間更長。更重要的是，研究人員說，相比使用笨重的電極和電纜的商用pH傳感器，光子pH傳感器具有體積小、抗結垢或堵塞等顯著優勢。
“到目前為止，驗證時間最長的實驗已經進行了一個月，在此期間，我們的傳感器沒有出現任何統計學上明顯的漂移。”Ahmed說，“目前，傳感器性能的下降與我們使用的激光光源的性能下降有關。用質量更好的LED光源替代這些光源可以改善該問題。”
本論文另一位合著者、美利堅大學化學家兼NIST客座研究員Matthew Hartings說：“這些傳感器可以為人們提供生物組織生長和疾病進展的實時信息。”他指出，傳統的基于貝克曼pH計的傳感器雖然可以測量氫離子濃度，但只能提供一系列快照，而光學傳感器可以提供連續信息，相當于疾病的“GPS導航”應用。
水凝膠的優勢
Ahmed說，研究小組發現，使用水凝膠時，發色團對光的吸收和熱量的轉化效率會有所提高。他認為這是因為水凝膠使得入射光和光纖溫度計有更好的共定位，以及小的實驗體積。
在概念驗證實驗中，“激光一旦射入溶液，就會被吸收，從而加熱最靠近玻璃管表面的水層。在這種情況下，光纖溫度計通常要距離玻璃管前一到兩毫米處，這樣它測量其周圍的溫度變化就少了。通過將所有材料都放在水凝膠里，傳感器就能夠更靠近光吸收最多的區域。”
當問及如何實現這種光學pH傳感器從概念驗證到實際應用，Ahmed提到了一個關鍵詞“組裝”，他補充道：“我們正在研究將發色團染料和兩根光纖（光纖溫度計和引入激光的光纖）合并到水凝膠基質中。這不僅可以改善傳感器的性能，而且還便于傳感器的操作。”
來源：MEMS 作者：麥姆斯咨詢殷飛
