【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】水下pH原位在線監(jiān)測是海洋生態(tài)評估、工業(yè)流程管控、深海極端環(huán)境勘探的關(guān)鍵技術(shù)，對揭示水環(huán)境演化規(guī)律、保障工業(yè)生產(chǎn)安全具有重要意義。目前，水下PH檢測主流手段為玻璃電極與pH敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET)傳感器，二者均依賴氫離子敏感膜的電化學(xué)信號完成檢測，具備響應(yīng)范圍寬、精度高等優(yōu)勢，但難以適配高鹽、強酸堿等極端工況，長期水下作業(yè)易出現(xiàn)信號漂移、檢測失效、需頻繁校準(zhǔn)、鹽度適用范圍窄等短板。傳統(tǒng)光學(xué)式pH傳感器雖信號穩(wěn)定且易于光纖集成，但其探針僅能在pKa附近窄區(qū)間響應(yīng)，無法實現(xiàn)全量程檢測?，F(xiàn)有水下pH傳感器存在穩(wěn)定性與寬量程無法兼得的核心難題，嚴(yán)重制約了極端水環(huán)境與復(fù)雜工業(yè)場景的精準(zhǔn)監(jiān)測，亟須開發(fā)兼具全范圍響應(yīng)、高抗干擾、高穩(wěn)定性的新型傳感技術(shù)。
 

　　為突破傳統(tǒng)水下pH傳感器的局限，中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所海岸帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與健康研究組(陳令新研究員團隊)聯(lián)合南洋理工大學(xué)Ling Xing Yi團隊，創(chuàng)新提出基于表面增強拉曼散射(SERS)的全范圍水下pH監(jiān)測方案。該技術(shù)以多質(zhì)子位點響應(yīng)的2-巰基-5-氨基-1,3,5-噻二唑(2-AMT)為SERS探針，構(gòu)建納米界面分子構(gòu)象依賴的pH傳感新機制，成功研制出光纖輔助原理樣機。該設(shè)備實現(xiàn)了pH 0–14全范圍覆蓋、高鹽耐受(1 M NaCl)、快速可逆(<80 s)及高精度(±0.2 pH)的遠程在線監(jiān)測，為深海熱液與高鹽廢水等極端環(huán)境的原位檢測開辟了新路徑。該研究核心創(chuàng)新成果包括4個方面：
 

　　創(chuàng)新點一：提出多質(zhì)子化位點傳感新原理，揭示pH誘導(dǎo)構(gòu)象轉(zhuǎn)變機制。
 

　　傳統(tǒng)SERS pH探針僅含單一質(zhì)子化位點，有效響應(yīng)范圍局限在5–8 pH單位。本研究利用兼具氨基、噻二唑環(huán)雜原子多個質(zhì)子化位點的新型探針2-AMT構(gòu)建pH傳感器。密度泛函理論(DFT)計算表明，該分子在pH 0–14范圍內(nèi)存在六種穩(wěn)定構(gòu)象，通過分級質(zhì)子化與去質(zhì)子化實現(xiàn)構(gòu)象連續(xù)轉(zhuǎn)變，且實驗光譜與理論模擬高度吻合。該機制使傳感器在強酸至強堿全范圍內(nèi)均可輸出顯著、可區(qū)分的光譜指紋，為pH全量程測量提供了物理核心基礎(chǔ)。
 

　　創(chuàng)新點二：機器學(xué)習(xí)驅(qū)動光譜指紋解析，實現(xiàn)全域pH精準(zhǔn)定量。
 

　　針對2-AMT探針pH全范圍光譜特征峰強度呈現(xiàn)非單調(diào)、非線性變化，傳統(tǒng)比值法難以有效建模的問題，研究團隊以全光譜數(shù)據(jù)為輸入，引入隨機森林(RF)算法構(gòu)建pH預(yù)測模型?；诓煌琾H條件下的光譜數(shù)據(jù)集所建立的RF模型，可實現(xiàn)全pH0–14全域準(zhǔn)確預(yù)測，預(yù)測決定系數(shù)R²達0.99，全范圍預(yù)測誤差控制在±0.1 pH以內(nèi)。研究通過特征重要性評估、個體條件期望圖(ICE)分析，證實689、1056、1387 cm?¹等關(guān)鍵拉曼位移處呈現(xiàn)良好的單調(diào)響應(yīng)關(guān)系，有效保障了模型的可解釋性與預(yù)測可靠性。
 

　　創(chuàng)新點三：構(gòu)建混合光譜數(shù)據(jù)庫，提升傳感器高鹽復(fù)雜環(huán)境檢測穩(wěn)定性。
 

　　針對海洋、工業(yè)廢水等高鹽環(huán)境，研究系統(tǒng)評估了傳感器0–1 M NaCl鹽度范圍內(nèi)的pH響應(yīng)穩(wěn)定性。同一pH下不同鹽度的SERS光譜幾乎完全重合，PCA得分圖中各鹽度點簇高度重疊，證實該傳感器耐受1M NaCl高鹽環(huán)境，響應(yīng)信號穩(wěn)定無干擾。對比測試表明，傳統(tǒng)玻璃電極在1 M NaCl高鹽條件下測量pH 7標(biāo)準(zhǔn)緩沖液時，讀數(shù)偏低1.13 pH，誤差極大。為適配復(fù)雜水環(huán)境檢測需求，團隊構(gòu)建純水-高鹽(500 mM NaCl)混合光譜數(shù)據(jù)庫，利用RF模型對商用pH標(biāo)準(zhǔn)溶液、水庫水加標(biāo)樣品的pH預(yù)測誤差均小于0.2 pH，充分驗證了傳感器在高鹽、復(fù)雜基質(zhì)中的檢測穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，為野外實際環(huán)境的在線監(jiān)測提供了可靠技術(shù)支撐。
 

　　創(chuàng)新點四：研發(fā)光纖pH傳感器原理樣機，實現(xiàn)野外水下原位動態(tài)監(jiān)測。
 

　　團隊自主設(shè)計3D打印傳感器支架，將2-AMT功能化SERS基底與10米遠程光纖的便攜式拉曼光譜儀耦合集成，搭建了一套實時水下原位pH監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可連續(xù)采集SERS光譜，依托機器學(xué)習(xí)模型即時輸出pH值。模擬海底堿性熱液噴口環(huán)境中，該系統(tǒng)精準(zhǔn)捕捉pH動態(tài)變化；地下水和海水原位監(jiān)測實驗進一步驗證了設(shè)備的野外適配性，準(zhǔn)確捕獲了不同水體的pH波動特征及環(huán)境響應(yīng)規(guī)律。未來研究聚焦傳感界面優(yōu)化與工程化封裝升級，推動該技術(shù)集成至水下機器人(ROVs)，進一步拓展深海原位pH測定的應(yīng)用潛力。
 

　　相關(guān)成果以“Field-deployable full-range underwater pH sensor using a polyprotic SERS probe”為題，發(fā)表于國際傳感領(lǐng)域權(quán)威期刊 Nature Sensors。煙臺海岸帶所張志陽研究員和博士生陳燕為文章的共同第一作者，煙臺海岸帶所陳令新研究員、南洋理工大學(xué) Ling Xing Yi 教授及江南大學(xué)In Yee Phang 教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者青年專家項目等項目的資助。
 

　　論文信息
 

　　Zhiyang Zhang,*# Yan Chen,# Yanzhou Wu, Lam Bang Thanh Nguyen, Qirui Shen, Shuoyang Yan, Ke Liu, Yifan Sui, Jiadong Chen, Qi Wen, In Yee Phang,* Xin Zhang, Xing Yi Ling,* and Lingxin Chen*. 2026. Field-deployable full-range underwater pH sensor using a polyprotic SERS probe. Nature Sensors. https://doi.org/10.1038/s44460-026-00107-2
 

　　引用：煙臺海岸帶所成果刊發(fā)Nature Sensors 水下全范圍光學(xué)pH傳感器攻克極端環(huán)境原位監(jiān)測難題 中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所 【引用時間：2026年7月30日】