用于微升级样品pH值测量的微流控pH传感器

这种环保、耐用的新型pH传感器具有较高的灵敏度，可以准确地测量微升级样品的pH值变化。

pH值测量广泛应用于化学、环境参数监测、生物过程控制和制药等各个领域。为了满足日益增长的新兴需求，研究人员已经开发出多种不同类型的pH传感器。目前可用的pH值测量方法包括使用pH试纸、玻璃pH电极、基于聚合物的光学pH传感器和离子选择性场效应晶体管。这些pH传感器能够以不同的精度测量样本的酸碱度，从而适用于不同的应用场景。

然而，上述pH值测量方法无法满足数十微升级样本的pH值的测量要求。在生物医学和农业相关领域，对微升级样本进行pH测量的需求越来越大，包括在癌症单细胞体外鉴别过程中以及用于卵巢癌早期检测的循环细胞外囊泡的pH值测量等。然而，由于在微系统中将pH敏感材料集成到平面电极上存在困难，有关纳升级或微升级样本的pH测量的研究非常有限。

在图中所示吸管的上方，有一个由8个微型器件构成的模组，其中包括微流控通道和驱动元件。微流控器件通常由数千个可以输送用于分析的微量液体的微通道组成。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自西交利物浦大学的研究人员提出了一种克服上述问题的方法，相关研究成果以“Iridium oxide and cobalt hydroxide microfluidic-based potentiometric pHsensor”为题发表在Microchimica Acta期刊上。

主导这项研究的Qiuchen Dong博士说：“我们的解决方案需要环保、耐用，并且足够灵敏，从而能够精确测量微升级样品中pH值的变化。”

面临的问题

一些市售的pH值测量方法依赖于人眼的主观判断。例如，含有染料的pH试纸会根据被测物质的pH值而发生颜色变化，利用这种试纸进行pH值测量依赖于人眼将变化后的试纸颜色与比色卡进行对比，这导致了每个使用者的测量结果之间有很大的差异。例如，有些人可能认为这种颜色指代的pH值为7.5，而另一些人认为其指代的pH值为8。因此，这种方法对微小的pH值变化不敏感，这意味着它更像是一个粗略的猜测。此外，这种方法使用的一些染料对样品来说是有毒的，从而会影响所记录的pH值的真实性。

一种更灵敏的pH值测量方法是使用极其脆弱的玻璃电极，这种电极很容易破碎，所以通常只在实验室环境中使用。

为了解决上述问题，Qiuchen Dong博士和他的研究生Weiyu Xiao使用了新的材料和方法来制造一种灵敏而坚固的pH传感器。

新的解决方案

在Qiuchen Dong博士和Weiyu Xiao开发的新型pH传感器中，液体样品通过一系列微型通道（微流控通道）输送到三个由光响应层状材料和金属制成的高灵敏度电极上。

（A）制备的微流控固态pH传感器示意图：硅片上的黄色代表通过光刻技术制备的金图案化微电极；（B）聚二甲基硅氧烷（PDMS）键合在具有两对金电极的金图案化硅片上；（C）具有电沉积的氧化铱（IrO₂）和氢氧化钴（Co(OH)₂）的微流控通道的横截面，红色箭头表示液体从左向右流动；（D）标准缓冲溶液的典型pH值响应。

“我们的解决方案依赖于利用光刻技术开发微流控通道和电极，这是半导体制造业中常用的一种方法。”

这些微流控pH传感器可以检测物质中质子数量的微小变化，而质子数量决定了pH值。这使得pH值的测量具有极高的精度。

未来应用

该团队目前正在申请所开发的新型pH传感器的专利，并且正在与行业内的开发机构开展合作，后者将致力于将该技术集成到他们的实验室设备中。

“这项研究的成功归功于我现在的博士生Weiyu Xiao的辛勤工作，她在进行这项研究期间还是一名硕士生。看到一个学生在如此短的时间内达到如此高的学术水平，真是令人印象深刻。她是一个很好的榜样，我希望其他学生也能从她所取得的成就中得到启发。”Qiuchen Dong博士说。

“这项研究也要感谢我以前的同事，即明尼苏达大学（University of Minnesota）的Abdennour Abbas博士和康涅狄格大学（University of Connecticut）的Yu Lei博士，他们帮助我构建了这个项目以及许多其他项目的想法。”Qiuchen Dong博士补充道。

最后，研究人员认为，他们开发的这种新型pH传感器将有广泛的商业应用前景，从帮助检测癌症和病媒传播的病毒，到识别喷洒了农药的土壤污染情况，不一而足。