摘要：在医疗诊断、环境监测等领域，便携式且易于读取的传感器需求迫切，比色传感器因具备直观识别的特点而备受关注。然而，其在实际应用中常受限于灵敏度不足的问题。例如，常规比色传感器对挥发性有机化合物（VOCs）的检测限（LOD）通常在百万分比（ppm）级别，难以满足低浓
*本文只做阅读笔记分享*
一、引言：比色传感器的现状与挑战
在医疗诊断、环境监测等领域，便携式且易于读取的传感器需求迫切，比色传感器因具备直观识别的特点而备受关注。然而，其在实际应用中常受限于灵敏度不足的问题。例如，常规比色传感器对挥发性有机化合物（VOCs）的检测限（LOD）通常在百万分比（ppm）级别，难以满足低浓度检测需求。为此，本研究聚焦于通过调控光与材料的相互作用，提升比色传感器的灵敏度与角度独立性，为便携式传感技术突破瓶颈提供新思路。
二、颜色变化机制
（一）功能染料
功能染料是一类有机发色团，能响应外部刺激（如温度、光、化学物质等）发生颜色或结构变化。其中：
光致变色染料：如螺吡喃（SP），在紫外光照射下会从无色的闭环结构（SP 形式）异构化为紫色的开环部花菁（MC 形式），移除光源后又可逆回闭环状态。这种可逆变色特性使其适用于紫外强度监测。
化学响应染料：包括路易斯酸碱染料（如金属卟啉）和布朗斯特酸碱染料（如酚红）。金属卟啉通过轴向配位作用与分析物结合变色，酚红则作为 pH 指示剂，随环境酸碱度变化呈现不同颜色。
（二）光子晶体（PhCs）
光子晶体是由不同折射率材料交替排列形成的周期性结构，能产生光子带隙（PBG），禁止特定波长光传播：
一维 PhCs：其反射波长满足布拉格条件λ=2/m(nA dA cosθA + nB dB cosθB)，反射峰位置由层厚度（dA、dB）和折射率对比度（nA/nB）决定。例如，TiO₂/SiO₂交替层构成的一维 PhCs，通过调整层参数可优化传感灵敏度。
胶体光子晶体（cPhCs）：由单分散胶体纳米粒子自组装形成三维结构，反射波长λ=2D(n2eff−cos2θ)1/2，其中D为粒子间距，neff为有效折射率。当填充聚合物并蚀刻粒子后形成的反蛋白石结构，因聚合物与空气的高折射率对比，可产生宽 PBG，适用于机械变色或温度传感。
（三）表面等离子体共振（SPR）
在金属-电介质界面，入射光激发电子集体振荡产生 SPR，共振角θres对周围介质介电常数高度敏感：
增强策略：Kretschmann 配置通过棱镜耦合实现全内反射，激发表面等离子体极化子（SPPs），提升灵敏度；Fano 耦合将瑞利异常与局部表面等离子体共振（LSPR）干涉，产生窄反射峰 dip，进一步增强灵敏度。
材料优化：金（Au）和银（Ag）是常用 plasmonic 材料，但 Au 稳定性高但共振峰宽，Ag 易氧化。铜（Cu）镀铂（Pt）或石墨烯可降低成本并提升稳定性。
三、光学传感的应用与性能优化
（一）灵敏度增强策略
1、微纤维中光响应染料的耦合
将光致变色染料（如 SP）掺入电纺聚己内酯（PCL）微纤维，利用纳米 / 微纤维的高比表面积，实现低至 2 μW/cm² 的紫外强度检测，较传统薄膜灵敏度提升 4.5 倍。进一步将 SP/PCL 纤维与亚麻纱线复合制成芯鞘结构，可刺绣于织物中，通过图案识别实现 UV 和 pH 双响应传感。
2、一维 PhCs 入射角微调
Nah 等人设计的 TiO₂/SiO₂一维 PhCs，通过微调入射角至 63.03°，使灵敏度提升至 5688.8 nm/RIU，对吗啡和芬太尼的检测限分别达 7 ng/mL 和 6 ng/mL。该传感器通过共价连接抗体，实现对小分子的高灵敏检测。
3、化学响应染料与 cPhCs 耦合
将 pararosaniline 等染料与 cPhCs 结合，利用 cPhCs 的光子带隙增强染料吸光度。例如，传感阵列对乙醛、丙酮、乙酸的检测限分别为 1 ppm、0.1 ppm 和 0.02 ppm，且无需数据重标即可通过 RGB 颜色差异可视化。
（二）角度独立比色传感策略
1、准非晶二氧化硅/硅氧烷纳米复合材料
Ge 等人开发的薄膜在拉伸时，准非晶二氧化硅纳米粒子阵列与 PDMS 基质的力学不匹配导致褶皱和空隙形成，反射率增加 200 倍，产生角度独立的结构色，透明度从 90% 降至不透明。
2、解耦瑞利异常与LSPR 的 SPR 传感器
Chen 等人通过调控金纳米棒（NR）长度和阵列间距，使 LSPR 与瑞利异常波长分离，实现角度独立的湿度传感。该传感器在土壤湿度监测中，0°-13°倾斜角度下共振位置保持稳定。
（三）热塑性反蛋白石力记录
Cho 等人利用未交联 SU-8 制备反蛋白石，其 Young's 模量达 1.2 GPa，受 30-90 mN 力时孔形从球形变为椭球形，光学响应蓝移，灵敏度达 5.7 nm/%，可记录足球运动员等承受的 17.6-20.4 MPa 冲击力。
四、结论与展望
本研究通过功能染料、PhCs、SPR 等机制的创新设计，显著提升了比色传感器的灵敏度（如 ppm 至 ppb 级检测）和角度独立性，并实现力记录功能。未来可探索超表面等纳米结构进一步调控光与物质相互作用，结合机器学习与多响应染料开发多功能传感器，同时需关注成本、规模化生产及环境鲁棒性，推动其在医疗、环境监测等领域的实际应用。
一起来做做题吧
1、下列哪项不是便携式比色传感器在实际应用中面临的主要挑战？
A.灵敏度低
B.角度依赖性强
C.成本过高
D.检测限通常在ppm级别
2、螺吡喃（SP）在紫外光照射下会发生什么变化？
A.从紫色开环结构变为无色闭环结构
B.从无色闭环结构变为紫色开环结构
C.颜色无明显变化
D.分解为小分子化合物
3、一维光子晶体的反射波长主要由以下哪项决定？
A.材料的厚度和折射率对比度
B.入射光的偏振状态
C.环境温度
D.传感器的尺寸
4、下列哪项不是增强SPR传感器灵敏度的常见策略？
A.使用Kretschmann配置
B.调控金纳米棒长度与阵列间距
C.采用Fano耦合瑞利异常与LSPR
D.降低金属-电介质界面的折射率对比度
5、Nah等人设计的一维光子晶体传感器通过微调入射角，对芬太尼的检测限可达多少？
A.7ng/mL
B.6ng/mL
C.0.1ppm
D.0.02ppm
6、准非晶二氧化硅/PDMS薄膜在拉伸时产生角度独立结构色的原因是？
A.材料折射率随拉伸线性增加
B.形成褶皱和空隙增强反射
C.二氧化硅纳米颗粒排列更有序
D.PDMS基质发光特性改变
7、SU-8热塑性反蛋白石传感器的力记录范围是？
A.10-100kPa
B.17.6-20.4MPa
C.0.1-1N
D.50-100mN
8、未来比色传感器的发展方向不包括以下哪项？
A.引入超表面调控光与物质作用
B.结合机器学习提升模式识别能力
C.仅依赖单一响应染料简化设计
D.优化成本与规模化生产工艺
参考文献：
Chui, H.N.T. and Yang, S. (2025), Colorimetric Sensors with Enhanced Sensitivity and Angle-independence. Adv. Sensor Res. e70014.
来源：知识泥土六二三
