通过测量物质的pH值,我们可以识别受污染的水源、检测医疗产品与化妆品的毒性等。

很多情况下,需要测量pH值的物质只有少量的样本可用,但监测这些微量样本中的pH值变化又十分重要。例如,识别单个细胞中微量液体的pH值变化能帮助检测卵巢癌。

目前pH值测量方法主要适用于大体积溶液样本。在商用场景中,大规模测量小体积溶液样本的pH值的方法往往不够精确,或仪器极易破碎。

近期发表于《微量化学学报》(Microchimica Acta)的一项研究中,来自西交利物浦大学的研究者们找到了解决这一问题的方法。

西交利物浦大学理学院董秋辰博士主导了该研究,他表示:“我们需要提供一种环保、耐用且对pH值变化足够敏感的测量方法,这样才能准确测量仅有几微升的样本中的pH值变化。”

缺乏可选项

目前可供商用的pH值测量方法主要依赖于人眼的主观判断,例如pH试纸。人们需要将试纸显示的颜色与色卡进行比对,这会导致不同人测量的结果存在明显差异。例如,一些人可能将试纸颜色对应的pH值视为7.5,而另一些人会认为是8。因此,这种方法无法检测出微小的pH值变化,它更像是一种粗略的估计。此外,一些pH试纸中的染料可能会对测量样本产生毒性,这也会影响pH值的准确记录。

除了pH试纸外,市面上还有一种能够更精确测量pH值的方法。但这种方法需要使用一种极易破碎的玻璃电极,因此通常只用于实验室测量。

为解决以上问题,董秋辰博士与他所指导的研究生肖炜钰选用了新颖的材料与方法,研发了一种足够且对pH值变化敏感的pH传感器。

全新的方案

在董秋辰博士与肖炜钰制作的新型pH传感器中,液体样本流经一组微流体通道,并经过三个由光响应层状材料与金属制成的高灵敏度电极。

董秋辰博士表示:“为制作pH传感器中的微流体通道和电极,我们使用了光刻技术。这一技术在半导体制造业应用广泛。”

团队所研发的微流控pH传感器可以检测出样本中质子数量的微小变化,而物质中的质子数量决定了该物质的pH值,所以这个测量PH值的新方法很精准。

一个包含八个微型装置(其中包括微流体通道与驱动电极)的模块置于一根苏打吸管的顶部。一个微流控装置内部通常含有数千个通道,用来导流极小量的液体以供分析。图片来源:美国能源部(该图片为公版图片)。

新方案的未来应用

研究团队目前正在为他们新研发的pH传感器申请专利,同时也在逐步与产业界建立合作,帮助企业将这项新技术运用于其实验室设备中。

研究团队认为他们所研发的新型pH传感器具有广阔的商用前景,可应用于癌症,土壤农药污染的检查等多个场景。

董秋辰博士表示:“这项研究的成功有赖于我现在的博士生肖炜钰同学的辛勤努力。在研究进行期间,肖同学还只是一名硕士生,她飞快的进步惊艳到了我。肖同学是一个很好的榜样,我希望她的成功能够激励其他同学在科研道路上不断前进。

“此外,我还想感谢我的导师——来自明尼苏达大学的Abdennour Abbas博士和康涅狄格大学的雷郁博士。他们过去的指导帮助我有了这项研究以及许多其他研究的初步想法。”

研究论文《基于铱氧和氢氧化钴的微流体电势式pH传感器》(Iridium oxide and cobalt hydroxide microfluidic-based potentiometric pH sensor)可在此处阅读。

 

记者:Catherine Diamond

中文编辑:张蔚

翻译:王雪琪

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