Characterization of a Fast Response Fiber-Optic pH Sensor and Illustration in a Biological Application  

快速響應(yīng)光纖pH傳感器的表征及其在生物應(yīng)用中的示例  

來源：The Analyst, Volume 146, 2021, Pages 4811-4821

《分析家》第146卷，2021年，頁碼4811-4821  

 

摘要內(nèi)容

 

研究開發(fā)了一種基于錐形光纖尖端設(shè)計的新型光纖pH傳感器，通過共價鍵合熒光染料（熒光素-O-甲基丙烯酸酯）至水凝膠基質(zhì)，顯著減少染料浸出問題。傳感器響應(yīng)時間（ΔT90）<5秒，精度達(dá)±0.04 pH單位，在pH 7條件下連續(xù)使用12小時漂移<0.05 pH/h。配套開發(fā)的檢測儀器有效抑制雜散光和光漂白影響，并通過生物應(yīng)用（AMES培養(yǎng)基中視網(wǎng)膜細(xì)胞代謝環(huán)境pH監(jiān)測）驗證其性能。  

 

研究目的

 

解決傳統(tǒng)pH傳感器（如玻璃電極）響應(yīng)慢、易碎、電磁干擾敏感等問題，開發(fā)一種適用于生物醫(yī)學(xué)（如微體積樣本）和工業(yè)場景的快速、高穩(wěn)定性光纖pH傳感器，填補(bǔ)900–1000 nm波長光學(xué)生物調(diào)節(jié)機(jī)制的研究空白。  

 

研究思路

 

1. 探頭設(shè)計：  

   ? 光纖尖端熱拉錐形成直徑<50 μm的錐形結(jié)構(gòu)（圖1），增強(qiáng)倏逝波占比以提高靈敏度。  

 

   ? 染料選擇：熒光素-O-甲基丙烯酸酯（pH 5–8.5敏感范圍），通過光聚合共價固定于水凝膠基質(zhì)（HEMA+PEGDA）。  

 

     

2. 儀器開發(fā)：  

   ? 光學(xué)系統(tǒng)：470 nm LED激發(fā)，520 nm發(fā)射光檢測，搭配帶通濾光片抑制背景噪聲（圖3）。  

 

   ? 機(jī)械設(shè)計：可伸縮套管保護(hù)探頭（圖2），適配微體積樣本檢測。  

 

     

3. 性能驗證：  

   ? 校準(zhǔn)：通過pH 5–8.5緩沖液建立滴定曲線（圖5），擬合Henderson-Hasselbalch方程（pKa=8.22±0.07）。  

 

   ? 穩(wěn)定性測試：長期漂移（圖8）、溫度影響（圖9–11）、機(jī)械振動耐受性（圖14）。  

 

 

 

 

 

   ? 生物應(yīng)用：監(jiān)測AMES培養(yǎng)基（視網(wǎng)膜細(xì)胞代謝環(huán)境）pH變化（圖16）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 響應(yīng)時間（圖7）：  

 

   ? 數(shù)據(jù)：pH 7→8切換的ΔT90<5秒（含1秒物理轉(zhuǎn)移時間）。  

 

   ? 意義：突破現(xiàn)有熒光pH傳感器響應(yīng)瓶頸（通常>20秒），滿足生物過程實(shí)時監(jiān)測需求。  

 

2. 校準(zhǔn)曲線（圖5）：  

   ? 數(shù)據(jù)：pH 5–8.5范圍內(nèi)信號強(qiáng)度呈S型變化，擬合度R2=0.999。  

 

   ? 意義：證實(shí)共價固定染料在聚合物基質(zhì)中保持高靈敏度，pKa偏移（vs.文獻(xiàn)值7.9）反映微環(huán)境極性影響。  

 

     

 

3. 長期穩(wěn)定性（圖8）：  

   ? 數(shù)據(jù)：12小時連續(xù)光照下信號漂移<2.42%/h（等效pH漂移<0.05/h）。  

 

   ? 意義：共價鍵合有效抑制染料浸出，光穩(wěn)定性優(yōu)于物理吸附體系。  

 

4. 溫度影響（圖9–11）：  

   ? 數(shù)據(jù)：25–40°C范圍內(nèi)pH測量偏差<0.02（pH<8），高溫（40°C）下光漂移速率隨采樣間隔增大而降低（圖12 vs.圖13）。  

 

   ? 意義：水凝膠熱膨脹與染料熱淬滅效應(yīng)可控，通過間歇激發(fā)策略（如5秒周期）可進(jìn)一步提升高溫穩(wěn)定性。  

 

5. 機(jī)械穩(wěn)定性（圖14）：  

   ? 數(shù)據(jù)：超聲振動（15分鐘）后信號波動<0.01 pH，涂層無脫落。  

 

   ? 意義：水凝膠-玻璃界面結(jié)合力強(qiáng)，適用于流動體系或工業(yè)振動環(huán)境。  

 

6. 生物應(yīng)用（圖16）：  

   ? 數(shù)據(jù)：AMES培養(yǎng)基（pH 7.4–7.5）40分鐘監(jiān)測，信號漂移低于商業(yè)傳感器（PreSens）。  

 

   ? 意義：驗證傳感器在生理環(huán)境中的可靠性，為活細(xì)胞代謝研究提供工具。  

 

     

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

Unisense電極在文獻(xiàn)中被提及作為商業(yè)化光纖pH傳感器的代表（引言部分），但本研究未直接使用其數(shù)據(jù)。其研究意義在于：  

1. 技術(shù)對標(biāo)：Unisense電極（如pH微傳感器）代表當(dāng)前商用水平（響應(yīng)時間>75秒，圖15），凸顯本研究傳感器（ΔT90<5秒）的突破性進(jìn)展。  

 

2. 應(yīng)用場景拓展：Unisense產(chǎn)品已驗證于海水分析、生物反應(yīng)器等，本研究傳感器通過更快響應(yīng)和更小尺寸（探頭?<50 μm），進(jìn)一步適用于微流體芯片、單細(xì)胞監(jiān)測等新興領(lǐng)域。  

3. 行業(yè)影響：Unisense等公司的成功商業(yè)化證明光纖pH傳感器的市場潛力，本研究通過解決響應(yīng)速度和穩(wěn)定性瓶頸，推動該技術(shù)向即時診斷、高通量篩選等場景滲透。  

 

結(jié)論

 

1. 性能優(yōu)勢：錐形光纖設(shè)計+共價固定染料實(shí)現(xiàn)ΔT90<5秒響應(yīng)和±0.04 pH精度，12小時漂移<0.05 pH/h。  

2. 環(huán)境適應(yīng)性：25–40°C溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，超聲振動下無機(jī)械損傷。  

3. 生物適用性：成功監(jiān)測視網(wǎng)膜細(xì)胞培養(yǎng)基pH變化，精度優(yōu)于商業(yè)系統(tǒng)（PreSens）。  

4. 產(chǎn)業(yè)化潛力：簡易制備工藝支持低成本量產(chǎn)，可擴(kuò)展至微創(chuàng)診療、器官芯片等場景。