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Robust Dual Optical Sensor for pH and Dissolved Oxygen
ACS Sensors ( IF 8.2 ) Pub Date : 2022-05-10 , DOI: 10.1021/acssensors.2c00242 Lu Wang 1 , Kim Jensen 1 , Nikos Hatzakis 2 , Min Zhang 2 , Thomas Just Sørensen 1
ACS Sensors ( IF 8.2 ) Pub Date : 2022-05-10 , DOI: 10.1021/acssensors.2c00242 Lu Wang 1 , Kim Jensen 1 , Nikos Hatzakis 2 , Min Zhang 2 , Thomas Just Sørensen 1
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As part of moving our optical pH and dissolved oxygen (DO) optical chemosensors toward industrial applications, we decided to explore a many-sensors-in-one principle. It was tested if physical segregation of the optical sensor components in a single sensor polymer could remove cross-talk and quenching. It was found that a design concept with an oxygen-responsive dye in polymer nanoparticles and a pH-responsive dye in an organically modified siloxane polymer resulted in a robust pH/O2 dual optical sensor. Individually, the O2-sensitive nanoparticles, a known component for optical DO sensing, and the pH sensor are operational. Thus, it was decided to test if nanoparticles enclosed within the pH-sensitive responsive sol–gel (i) could work together if segregated and (ii) could operate with a single intensity signal that is without a reference signal; developments within industrial optical sensor technology indicate that this should be feasible. The prototype optode produced in this work was shown to have a negligible drift over 60 h, bulk diffusion-limited DO response, and independent response to pH and O2. On the individual optode, pH calibration was found to show the expected sigmoidal shape and pKa, while the complexity of the calibration function for the DO signal was significant. While the engineering of the sensor device, optics, and hardware are not robust enough to attempt generic sensor calibration, it was decided to demonstrate the design concept in simple fermentation experiments. We conclude that the dual sensor design with the physical segregation of components is viable.
中文翻译：
用于 pH 值和溶解氧的坚固双光学传感器
作为将我们的光学 pH 和溶解氧 (DO) 光学化学传感器转向工业应用的一部分，我们决定探索多传感器合一原理。测试了单个传感器聚合物中光学传感器组件的物理隔离是否可以消除串扰和猝灭。结果发现，在聚合物纳米颗粒中使用氧响应染料和在有机改性硅氧烷聚合物中使用 pH 响应染料的设计理念产生了坚固的 pH/O 2双光学传感器。单独地，O 2敏感的纳米颗粒，一种用于光学 DO 传感的已知组件，以及 pH 传感器是可操作的。因此，决定测试封装在 pH 敏感响应性溶胶-凝胶中的纳米颗粒（i）是否可以在分离的情况下协同工作，以及（ii）是否可以在没有参考信号的单一强度信号下工作；工业光学传感器技术的发展表明这应该是可行的。在这项工作中生产的原型光极显示在 60 小时内具有可忽略不计的漂移、体积扩散限制的 DO 响应以及对 pH 和 O 2的独立响应。在单个光极上，发现 pH 校准显示了预期的 S 形形状和 p K a，而 DO 信号的校准函数的复杂性是显着的。虽然传感器设备、光学器件和硬件的工程设计不够稳健，无法尝试通用传感器校准，但决定在简单的发酵实验中展示设计理念。我们得出结论，具有组件物理隔离的双传感器设计是可行的。
更新日期：2022-05-10
中文翻译：
用于 pH 值和溶解氧的坚固双光学传感器
作为将我们的光学 pH 和溶解氧 (DO) 光学化学传感器转向工业应用的一部分，我们决定探索多传感器合一原理。测试了单个传感器聚合物中光学传感器组件的物理隔离是否可以消除串扰和猝灭。结果发现，在聚合物纳米颗粒中使用氧响应染料和在有机改性硅氧烷聚合物中使用 pH 响应染料的设计理念产生了坚固的 pH/O 2双光学传感器。单独地，O 2敏感的纳米颗粒，一种用于光学 DO 传感的已知组件，以及 pH 传感器是可操作的。因此，决定测试封装在 pH 敏感响应性溶胶-凝胶中的纳米颗粒（i）是否可以在分离的情况下协同工作，以及（ii）是否可以在没有参考信号的单一强度信号下工作；工业光学传感器技术的发展表明这应该是可行的。在这项工作中生产的原型光极显示在 60 小时内具有可忽略不计的漂移、体积扩散限制的 DO 响应以及对 pH 和 O 2的独立响应。在单个光极上，发现 pH 校准显示了预期的 S 形形状和 p K a，而 DO 信号的校准函数的复杂性是显着的。虽然传感器设备、光学器件和硬件的工程设计不够稳健，无法尝试通用传感器校准，但决定在简单的发酵实验中展示设计理念。我们得出结论，具有组件物理隔离的双传感器设计是可行的。
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