离子选择性光学传感器内参比系统的构建：实现长期免校准检测的突破性探索

【编辑推荐】针对化学传感器需频繁校准的行业痛点，俄罗斯研究团队创新性开发了集成内参比光学信号的离子选择性传感器阵列。通过调控聚合物光极（optodes）中离子交换容量与色原体（chromoionophore）酸度，实现在pH 5-9及0.1 M电解质浓度范围内的稳定信号输出，为可穿戴医疗设备（如汗液/尿液Na+监测）提供免校准解决方案。该成果发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》。

　　

在化学传感器领域，长期困扰研究人员的核心难题是如何摆脱对定期校准的依赖。传统光学传感器（optodes）易受光源波动、传感相组分变化等因素干扰，导致信号漂移。这一瓶颈严重阻碍了其在个性化医疗等实时监测场景中的应用，尤其当涉及汗液、尿液等复杂生物流体中的电解质（如Na⁺）检测时，校准需求更成为技术落地的"阿喀琉斯之踵"。

俄罗斯科学基金会资助的研究团队另辟蹊径，从光学传感器响应机制的本质出发，提出将内参比系统与传感元件集成的新策略。其创新点在于设计了一类具有抑制离子交换能力的聚合物光极作为光学信号标准物，通过理论模拟与实验验证双管齐下，成功构建出在宽泛环境条件下保持信号稳定的传感器阵列。这项突破性成果发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》，为开发下一代免校准可穿戴医疗设备奠定了理论基础。

关键技术方法包括：1）采用数值模拟量化阴离子共萃取（coextraction）与离子交换对信号稳定区间的影响；2）优化色原体（ETH5294/2439/5350）与阳离子交换剂（NaHFPB/KT_pClPB）的配比；3）通过原子发射光谱验证实际尿样中Na⁺检测准确性。

【理论模拟与实验设计】
通过建立包含中性色原体C和阴离子交换剂R^-的理论模型，首次系统分析了I⁺/H⁺离子交换与H⁺X^-共萃取对信号稳定性的耦合影响。数值计算表明，当色原体去质子化分数α的理论下限值满足(1-R_T/C_T)时，传感器可在特定pH/电解质范围内维持稳定输出。

【材料特性调控】
实验选用三种商品化色原体（ETH5294/2439/5350）验证理论预测。通过调节色原体酸度与TBATBB（四丁基硼酸四丁铵）浓度，证实信号稳定区间可精确匹配目标分析物（如Na⁺）的生理浓度范围。在pH 5-9、电解质浓度≤0.1 M条件下，优化后的传感器表现出<5%的信号波动。

【实际样本验证】
在人工尿液和真实人尿样本测试中，基于内参比的Na⁺检测结果与原子发射光谱法一致性达92%以上。特别值得注意的是，标准光极与传感元件的同步老化特性有效抵消了染料渗漏（dye leakage）造成的信号衰减。

这项研究从理论层面揭示了光学传感器信号稳定化的临界条件，实践层面则开发出可定制化的内参比构建方案。通过精准调控色原体-交换剂化学计量比，研究者成功将"自校准"功能植入传感器本体，解决了传统比色卡（color chart）无法追踪材料老化的缺陷。该技术不仅适用于电解质监测，其揭示的"信号稳定窗口"设计原则更可拓展至其他离子/分子检测系统，为开发真正"即插即用"的生物医学传感器提供了全新范式。正如通讯作者Maria A. Peshkova强调的，这种将基础理论突破与工程化设计融为一体的研究思路，或将重新定义下一代化学传感器的性能评价标准。