- 水環(huán)境監(jiān)測的移動突破：使用手機的新型比色多通道傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2023/2/7
來源：環(huán)境科學與工程前沿（2022 年）。DOI： 10.1007/s11783-022-1590-z
可靠的比色分析技術因其對環(huán)境監(jiān)測中各種污染物的高度靈敏和選擇性響應而廣受贊譽。原則上，顯色劑選擇性地與水樣中的靶標反應，有色產物反映特定的吸光度光譜。
遵循朗伯-比爾定律，吸光度與吸收物質的濃度成正比，為水樣中污染物的定性和定量檢測提供了基礎。肉眼觀察具有成本低的優(yōu)點，但精度不盡如人意。傳統(tǒng)的光電子檢測器，如分光光度計和酶標儀，價格昂貴，因此難以在資源有限或偏遠的環(huán)境中應用。
比色分析技術的應用場景引起了人們對準確性和成本平衡的濃厚興趣�？紤]到準確性和成本，在商用手機平臺上開發(fā)比色分析技術因其成本低、靈活性高、易于小型化和手機的廣泛擁有性，在環(huán)境監(jiān)測中受到廣泛關注。
值得注意的是，基于手機的比色技術的突出優(yōu)勢有望大大加快偏遠或欠發(fā)達國家和地區(qū)的環(huán)境和健康相關分析能力。然而，大多數報道的研究都集中在單通道比色檢測上，這導致檢測效率有限，尤其是面對水樣中的復雜污染物。
基于手機的多通道傳感系統(tǒng)的研究引起了越來越多的興趣，因為這些系統(tǒng)有可能在一次測量中同時檢測多個目標，并且用于快速評估水樣的相關技術快速、穩(wěn)健且價格低廉。
為了實現多通道傳感能力，主流技術途徑是使用手機相機直接從96孔板捕獲比色圖像。在所有情況下，大多數提高基于手機的系統(tǒng)傳感能力的策略都是基于單色光源的，對表現出不同吸收峰的不同污染物缺乏通用性和靈活性。
在這項工作中，來自清華大學哈爾濱工業(yè)大學和重慶大學的研究人員提出了一種基于手機的比色多通道傳感器，用于水環(huán)境監(jiān)測。使用白色LED陣列作為入射光來照亮96孔板。為了提高傳感器的靈敏度，通過使用衍射光柵分離通過多個彩色樣品傳輸的六個白色光束，創(chuàng)建了一個精細的光路系統(tǒng)。
來自六個孔的透射光通過六根光纖收集，并通過衍射光柵后由手機相機成像，這使得手機CMOS相機能夠捕獲衍射光進行圖像分析。該圖像由定制設計的手機應用程序捕獲，用于使用特定算法進行分析，產生使用同一應用程序顯示的檢測結果。
這項題為“用于水環(huán)境監(jiān)測的基于手機的比色多通道傳感器”的研究發(fā)表在《環(huán)境科學與工程前沿》上。
這款緊湊型傳感器經過成功測試，可同時檢測吸收波長范圍為 400–700 nm 的各種環(huán)境污染物，實現了高靈敏度、特異性和可靠性。通過引入用于分光的衍射光柵，與直接拍攝透射光的系統(tǒng)相比，靈敏度提高了六倍以上。
作為成功的概念驗證，該傳感器用于同時檢測濁度、正磷酸鹽、氨氮和三種重金屬，靈敏度高。此外，高穩(wěn)定性（RSD為0.37%–1.60%）和良好的回收率（95.5%–106.0%）表明該傳感器可以在真實水基質中進行準確檢測。
由于微型傳感器具有檢測性能顯著、成本低、操作方便、便攜性好、多指標測量等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測中表現出現場傳感能力，可擴展到即時診斷、食品控制和風險預警等。
值得注意的是，通過引入酶、抗體和功能性核酸等生物識別材料，該傳感器有可能更智能地實現痕量有機物的檢測。此外，可以預期，該技術將在克服衍射光柵體積或數量限制的前提下允許高達96個檢測通道。
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