水环境监测的移动突破一种基于手机平台的新型比色多通道传感器

可靠的比色分析技术因其在环境监测中对各种污染物的高度敏感和选择性响应而受到广泛赞誉。原则上，显色剂与水样中的靶标发生选择性反应，显色产物反映特定的吸收光谱。遵守朗伯-比尔定律，吸光度与吸收物质的浓度成正比，为水样中污染物的定性和定量检测提供依据。肉眼观察具有成本低的优点，但准确性不尽如人意。传统的光电子检测器，如分光光度计和酶标仪，价格昂贵，难以在资源有限或偏远的环境中应用。

比色分析技术的应用场景引起了人们对准确性和成本平衡的浓厚兴趣。考虑到准确性和成本，在商用手机平台上开发比色分析技术由于成本低、灵活性高、易于小型化和手机的广泛拥有而在环境监测中引起了极大的关注。值得注意的是，基于手机的比色技术的突出优势有望大大加快偏远或欠发达国家和地区的环境和健康相关分析能力。然而，大多数报道的研究都集中在单通道比色检测上，这导致检测效率有限，尤其是面对水样中复杂的污染物。

基于手机的多通道传感系统的研究越来越受到关注，因为这些系统有可能在一次测量中同时检测多个目标，并且用于快速评估水样的相关技术快速、可靠且廉价。为实现多通道传感能力，主流的技术途径是通过手机摄像头直接采集96孔板的比色图像。在所有情况下，大多数提高基于手机的系统的传感能力的策略都是基于单色光源，对显示不同吸收峰的不同污染物缺乏普遍性和灵活性。

在这项工作中，来自哈尔滨工业大学清华大学和重庆大学的研究人员提出了一种基于手机的比色多通道传感器用于水环境监测。使用白色 LED 阵列作为入射光来照亮 96 孔板。为了提高传感器的灵敏度，通过使用衍射光栅将穿过多个彩色样品的六束白色光束分开，创建了一个精密的光路系统。来自六个孔的透射光由六根光纤收集，并在通过衍射光栅后由手机相机成像，这使得手机CMOS相机捕获衍射光以进行图像分析。该图像是由定制设计的手机应用程序捕获的，用于使用特定算法进行分析，产生使用相同应用程序显示的检测结果。这项题为“A cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for water environmental monitoring”的研究在线发表于2022 年环境科学与工程前沿。

该紧凑型传感器成功测试了吸收波长范围为 400-700 nm 的各种环境污染物的同时检测，实现了高灵敏度、特异性和可靠性。通过引入用于分离光的衍射光栅，与直接拍摄透射光的系统相比，灵敏度提高了六倍以上。作为一个成功的概念验证，该传感器用于同时高灵敏度检测浊度、正磷酸盐、氨氮和三种重金属。此外，高稳定性(RSD 为 0.37%–1.60%)和出色的回收率(95.5%–106.0%)表明我们的传感器可以在实际水基质中进行准确检测。

该微型传感器具有检测性能卓越、成本低廉、操作简单、便携性好、多指标测量等优点，在环境监测中展现了现场传感能力，可扩展到床旁诊断、食品检测等领域。安全控制和风险预警等。值得注意的是，通过引入酶、抗体和功能核酸等生物识别材料，传感器有可能更智能地实现对痕量有机物的检测。此外，可以期待该技术在克服绕射光栅体积或数量限制的前提下，使探测通道数达到96个。