展开

产品分类

全量程水下pH原位在线监测技术获进展

阅读： 发布时间：2026-08-06

水下pH原位在线监测是海洋生态评估、工业流程管控、深海极端环境勘探的关键技术，对揭示水环境演化规律、保障工业生产安全具有重要意义。目前，水下PH检测主流手段为玻璃电极与pH敏感场效应晶体管(ISFET)传感器，二者均依赖氢离子敏感膜的电化学信号完成检测，具备响应范围宽、精度高等优势，但难以适配高盐、强酸碱等极端工况，长期水下作业易出现信号漂移、检测失效、需频繁校准、盐度适用范围窄等短板。传统光学式pH传感器虽信号稳定且易于光纤集成，但其探针仅能在pKa附近窄区间响应，无法实现全量程检测。WWW.shyb9.com现有水下pH传感器存在稳定性与宽量程无法兼得的核心难题，严重制约了极端水环境与复杂工业场景的*监测，亟须开发兼具全范围响应、高抗干扰、高稳定性的*传感技术。

  为突破传统水下pH传感器的局限，WWW.shyb118.com科学烟台海岸带研究所海岸带生态环境监测与健康研究组(陈令新研究员团队)联合南洋理工大学Ling Xing Yi团队，创新提出基于表面增强拉曼散射(SERS)的全范围水下pH监测方案。该技术以多质子位点响应的2-巯基-5-氨基-1,3,5-/WWW.zghq5.com/噻二唑(2-AMT)为SERS探针，构建纳米界面分子构象依赖的pH传感新机制，*研制出光纤辅助原理样机。该设备实现了pH 0–14全范围覆盖、高盐耐受(1 M NaCl)、快速可逆(<80 s)及高精度(±0.2 pH)的远程在线监测，为深海热液与高盐废水等极端环境的原位检测开辟了新路径。该研究核心创新成果包括4个方面：

  创新点一：提出多质子化位点传感新原理，揭示pH诱导构象转变机制。

  传统SERS pH探针仅含单一质子化位点，WWW.shhzy3.cn有效响应范围局限在5–8 pH单位。本研究利用兼具氨基、噻二唑环杂原子多个质子化位点的*探针2-AMT构建pH传感器。密度泛函理论(DFT)计算表明，WWW.shzy4.com/WWW.sHaic.net该分子在pH 0–14范围内存在六种稳定构象，通过分级质子化与去质子化实现构象连续转变，且实验光谱与理论模拟高度吻合。该机制使传感器在强酸至强碱全范围内均可输出显著、可区分的光谱指纹，为pH全量程测量提供了物理核心基础。

  创新点二：机器学驱动光谱指纹解析，实现全域pH*定量。

  针对2-AMT探针、WWW.SHSAIC.NETpH全范围光谱特征峰强度呈现非单调、非线性变化，传统比值法难以有效建模的问题，研究团队以全光谱数据为输入，引入随机森林(RF)算法构建pH预测模型。基于不同pH条件下的光谱数据集所建立的RF模型，可实现全pH0–14全域准确预测，预测决定系数R²达0.99，全范围预测误差控制在±0.1 pH以内。研究通过特征重要性评估、个体条件期望图(ICE)分析，证实689、1056、1387 cm⁻¹等关键拉曼位移处呈现良好的单调响应关系，有效保障了模型的可解释性与预测可靠性。

  创新点三：构建混合光谱数据库，提升传感器高盐复杂环境检测稳定性。

  针对海洋、工业废水等高盐环境，研究系统评估了传感器0–1 M NaCl盐度范围内的pH响应稳定性。WWW.shyB9.com同一pH下不同盐度的SERS光谱几乎完全重合，PCA得分图中各盐度点簇高度重叠，证实该传感器耐受1M NaCl高盐环境，响应信号稳定无干扰。对比测试表明，传统玻璃电极在1 M NaCl高盐条件下测量pH 7标准缓冲液时，读数偏低1.13 pH，误差极大。为适配复杂水环境检测需求，WWW.shy9.com/团队构建纯水-高盐(500 mM NaCl)混合光谱数据库，利用RF模型对商用pH标准溶液、水库水加标样品的pH预测误差均小于0.2 pH，充分验证了传感器在高盐、复杂基质中的检测稳定性与准确性，为野外实际环境的在线监测提供了可靠技术支撑。

  创新点四：研发光纤pH传感器原理样机，实现野外水下原位动态监测。

  团队设计3D打印传感器支架，将2-AMT功能化SERS基底与10米远程光纤的便携式拉曼光谱仪耦合集成，搭建了一套实时水下原位pH监测系统。该系统可连续采集SERS光谱，依托机器学模型即时输出pH值。模拟海底碱性热液喷口环境中，该系统*捕捉pH动态变化；地下水和海水原位监测实验进一步验证了设备的野外适配性，准确捕获了不同水体的pH波动特征及环境响应规律。未来研究聚焦传感界面优化与工程化封装升级，推动该技术集成至水下机器人(ROVs)，进一步拓展深海原位pH测定的应用潜力。

  相关成果以“WWW.shzy4.com/Field-deployable full-range underwater pH sensor usingWWW.shybdj6.net a polyprotic SERS probe”为题，发表于国际传感领域期刊 Nature Sensors。烟台海岸带所张志阳研究员和博士生陈燕为文章的共同*作者，烟台海岸带所陈令新研究员、南洋理工大学 Ling Xing Yi 教授及江南大学In Yee Phang 教授为通讯作者。该研究得到*自然科学基金、山东省泰山学者青年*项目等项目的资助。