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

快速響應光纖pH傳感器的表征及其在生物應用中的示例  

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

《分析家》第146卷，2021年，頁碼4811-4821  

 

摘要內容

 

研究開發了一種基于錐形光纖尖端設計的新型光纖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，顯著減少染料浸出問題。傳感器響應時間（ΔT90）<5秒，精度達±0.04 pH單位，在pH 7條件下連續使用12小時漂移<0.05 pH/h。配套開發的檢測儀器有效抑制雜散光和光漂白影響，并通過生物應用（AMES培養基中視網膜細胞代謝環境pH監測）驗證其性能。  

 

研究目的

 

解決傳統pH傳感器（如玻璃電極）響應慢、易碎、電磁干擾敏感等問題，開發一種適用于生物醫學（如微體積樣本）和工業場景的快速、高穩定性光纖pH傳感器，填補900–1000 nm波長光學生物調節機制的研究空白。  

 

研究思路

 

1. 探頭設計：  

   ? 光纖尖端熱拉錐形成直徑<50 μm的錐形結構（圖1），增強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（HEMA+PEGDA）。  

 

     

2. 儀器開發：  

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

 

   ? 機械設計：可伸縮套管保護探頭（圖2），適配微體積樣本檢測。  

 

     

3. 性能驗證：  

   ? 校準：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）。  

 

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

 

 

 

 

 

   ? 生物應用：監測AMES培養基（視網膜細胞代謝環境）pH變化（圖16）。  

 

測量數據及研究意義

 

1. 響應時間（圖7）：  

 

   ? 數據：pH 7→8切換的ΔT90<5秒（含1秒物理轉移時間）。  

 

   ? 意義：突破現有熒光pH傳感器響應瓶頸（通常>20秒），滿足生物過程實時監測需求。  

 

2. 校準曲線（圖5）：  

   ? 數據：pH 5–8.5范圍內信號強度呈S型變化，擬合度R2=0.999。  

 

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

 

     

 

3. 長期穩定性（圖8）：  

   ? 數據：12小時連續光照下信號漂移<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，光穩定性優于物理吸附體系。  

 

4. 溫度影響（圖9–11）：  

   ? 數據：25–40°C范圍內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可控，通過間歇激發策略（如5秒周期）可進一步提升高溫穩定性。  

 

5. 機械穩定性（圖14）：  

   ? 數據：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-玻璃界面結合力強，適用于流動體系或工業振動環境。  

 

6. 生物應用（圖16）：  

   ? 數據：AMES培養基（pH 7.4–7.5）40分鐘監測，信號漂移低于商業傳感器（PreSens）。  

 

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

 

     

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

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

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

 

2. 應用場景拓展：Unisense產品已驗證于海水分析、生物反應器等，本研究傳感器通過更快響應和更小尺寸（探頭?<50 μm），進一步適用于微流體芯片、單細胞監測等新興領域。  

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

 

結論

 

1. 性能優勢：錐形光纖設計+共價固定染料實現ΔT90<5秒響應和±0.04 pH精度，12小時漂移<0.05 pH/h。  

2. 環境適應性：25–40°C溫度范圍內性能穩定，超聲振動下無機械損傷。  

3. 生物適用性：成功監測視網膜細胞培養基pH變化，精度優于商業系統（PreSens）。  

4. 產業化潛力：簡易制備工藝支持低成本量產，可擴展至微創診療、器官芯片等場景。