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。
针对上述难题，中国科学院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-噻二唑(2-AMT)为SERS探针，构建了纳米界面分子构象依赖的pH传感新机制，成功研制出光纤辅助原理样机，实现了pH 0–14全范围覆盖、快速可逆、高盐耐受及高精度的远程在线监测。
理论计算与实验表明，该分子在宽pH范围内可通过分级质子化实现构象连续转变，输出显著且可区分的
光谱指纹。研究引入随机森林算法解析全光谱数据，建立高精度预测模型，有效克服了传统比值法的局限。在高盐及复杂水环境测试中，该传感器表现出优异的抗干扰能力与稳定性，预测误差控制在±0.2pH以内。自主搭建的光纤监测系统在模拟深海热液喷口及野外水体原位监测中验证了其实用性，为极端水环境精准观测提供了可靠技术支撑。
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。
本研究利用兼具氨基、噻二唑环杂原子多个质子化位点的新型探针2-AMT构建pH传感器。密度泛函理论(DFT)计算表明，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：机器学习驱动光谱指纹解析，实现全域pH精准定量。
针对2-AMT探针pH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。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，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。
研究团队自主设计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，依托机器学习模型即时输出pH值。模拟海底碱性热液喷口环境中，该系统精准捕捉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。未来研究将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。
素材来源：中国科学院烟台海岸带研究所
