基于实时吸光度监测的可调谐蒽-内过氧化物分子释氧传感系统开发与应用研究

本研究针对软机器人和柔性驱动器等领域对氧气释放实时监测的迫切需求，开发了一种基于紫外和深紫外LED的紧凑型光学传感系统。通过精确追踪水溶性蒽-内过氧化物（ANT-EPO）分解过程中400 nm和265 nm特征吸收峰的变化，实现了对分子氧释放过程的定量监测。实验结果表明，该系统与理论预测高度吻合（Pearson r=0.995-0.999），检测限达0.305 μM，为化学能向机械能转换的驱动技术提供了可靠的监测解决方案。

　　

在软机器人和柔性执行器快速发展的今天，精确控制能量释放成为推动技术创新的关键。特别是在化学触发驱动机制领域，如何将化学反应转化为可控的机械输出一直是研究人员关注的焦点。其中，释氧化合物因其能够通过反应分解释放氧气产生压力，成为气动驱动的理想选择。然而，要实现对这些系统的精确控制，必须对氧气释放过程进行连续监测，这对传感技术提出了更高要求。

传统紫外-可见（UV-vis）光谱法虽然精度较高，但存在设备笨重、价格昂贵和便携性差等局限性，难以集成到紧凑或嵌入式传感平台中。更重要的是，动力学参数如反应速率和浓度依赖行为往往需要事后推断，而非在反应过程中直接测量。这些限制凸显了对便携式高效替代方案的需求，这种方案需要在保持UV-vis光谱精度的同时，提供连续的动力学追踪能力。

针对这一技术瓶颈，来自德国弗莱堡大学的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》上发表了一项创新性研究，开发了一种紧凑型光学传感系统，通过基于吸光度的检测方法追踪可调谐蒽-内过氧化物分子的氧气释放过程。

研究团队采用的主要技术方法包括：基于紫外（400 nm）和深紫外（265 nm）LED的光学检测系统设计，配备专门的光电探测器和光束分离器；使用改性比尔-朗伯定律进行吸光度计算，充分考虑LED发射带宽和探测器灵敏度的影响；通过第一反应动力学模型进行氧气释放量化分析；利用皮尔逊相关系数、均方根误差等统计方法进行系统验证；采用25次连续测量的相对标准偏差评估系统重复性。

研究结果表明，光学传感系统有效追踪了ANT-EPO分解和ANT形成过程。在400 nm波长处，实验测量吸光度与UV-vis光谱仪数据高度相关（r>0.994），与理论计算值也显示出良好一致性（r>0.997）。误差分析显示，最低RMSE<0.036，MAE<0.027，证实了简化系统在捕获反应过程中吸光度变化的准确性。

在氧气释放定量方面，研究人员建立了基于比尔-朗伯定律、一级反应动力学和1:1化学计量比的数学框架。通过将时间分辨吸光度数据转化为累积氧气释放量，发现实验曲线与理论释放曲线紧密吻合。所有样品的皮尔逊相关系数均超过0.995，RMSE值≤2.72 nmol，MAE值<1.76 nmol，表现出极好的一致性。动力学验证通过将实验释放数据拟合到一级模型完成，所有样品的确定系数（R2）达到0.991-0.997，表明模型拟合优良且反应行为一致。

系统性能评估显示，在400 nm波长处，平均吸光度为1.864，标准偏差0.0017，相对标准偏差（RSD）为0.093%；在265 nm波长处，RSD为0.5%。这些值表明在两个波长处都具有高重复性，特别是在400 nm处信号稳定性对追踪ANT形成和氧气释放定量至关重要。基于线性拟合斜率和基线测量标准偏差，计算得到系统的检测限（LOD）为0.305±0.026 μM，这一灵敏度支持系统捕获低浓度信号的能力，实现了早期动力学的可靠监测。

研究结论表明，这种光学传感系统为通过基于吸光度的ANT-EPO分子追踪实现实时监测氧气释放提供了紧凑的LED基解决方案。通过监测265 nm（ANT-EPO）和400 nm（ANT）的吸光度，系统提供了氧气释放的定量间接测量。实验验证显示与理论模型强相关性（r=0.995-0.999；RMSE<0.035），证实了系统在追踪反应动力学方面的准确性。高测量重复性（400 nm处RSD%<0.1%，265 nm处0.5%）和0.305 μM的检测限，突显了系统的精密度和灵敏度。

该研究的重要意义在于验证了将紫外和深紫外LED基配置用于吸光度追踪作为传统UV-vis系统可行替代方案的潜力，同时保持了足够的强度和测量精度。精确追踪ANT-EPO分解的能力使该系统成为氧气驱动驱动和自适应系统应用中的宝贵工具。此外，系统的适应性设计允许多分子分析，拓宽了其在生物医学诊断、环境监测和工业过程控制中的潜在应用。通过展示便携式格式中分子氧气释放的实时定量追踪，这项工作为下一代由受控化学反应驱动的响应系统奠定了基础。

未来研究方向包括研究温度对ANT-EPO分解的影响，开发考虑温度变量的改进校准方法，以及探索结合光学和压力传感与温湿度监测的混合配置，实现实时补偿和温度感知动力学建模。同时，进一步小型化传感设置将其集成到紧凑嵌入式平台中，用于软机器人和柔性系统应用。