水环境监测的移动突破：使用手机的新型比色多通道传感器

来源：环境科学与工程前沿（2022 年）。DOI： 10.1007/s11783-022-1590-z

可靠的比色分析技术因其对环境监测中各种污染物的高度灵敏和选择性响应而广受赞誉。原则上，显色剂选择性地与水样中的靶标反应，有色产物反映特定的吸光度光谱。

遵循朗伯-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了基础。肉眼观察具有成本低的优点，但精度不尽如人意。传统的光电子检测器，如分光光度计和酶标仪，价格昂贵，因此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因其成本低、灵活性高、易于小型化和手机的广泛拥有性，在环境监测中受到广泛关注。

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，尤其是面对水样中的复杂污染物。

基于手机的多通道传感系统的研究引起了越来越多的兴趣，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、稳健且价格低廉。

为了实现多通道传感能力，主流技术途径是使用手机相机直接从96孔板捕获比色图像。在所有情况下，大多数提高基于手机的系统传感能力的策略都是基于单色光源的，对表现出不同吸收峰的不同污染物缺乏通用性和灵活性。

在这项工作中，来自清华大学哈尔滨工业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，通过使用衍射光栅分离通过多个彩色样品传输的六个白色光束，创建了一个精细的光路系统。

来自六个孔的透射光通过六根光纤收集，并通过衍射光栅后由手机相机成像，这使得手机CMOS相机能够捕获衍射光进行图像分析。该图像由定制设计的手机应用程序捕获，用于使用特定算法进行分析，产生使用同一应用程序显示的检测结果。

这项题为“用于水环境监测的基于手机的比色多通道传感器”的研究发表在《环境科学与工程前沿》上。

这款紧凑型传感器经过成功测试，可同时检测吸收波长范围为 400–700 nm 的各种环境污染物，实现了高灵敏度、特异性和可靠性。通过引入用于分光的衍射光栅，与直接拍摄透射光的系统相比，灵敏度提高了六倍以上。

作为成功的概念验证，该传感器用于同时检测浊度、正磷酸盐、氨氮和三种重金属，灵敏度高。此外，高稳定性（RSD为0.37%–1.60%）和出色的回收率（95.5%–106.0%）表明该传感器可以在真实水基质中进行准确检测。

由于微型传感器具有检测性能显著、成本低、操作方便、便携性好、多指标测量等优点，在环境监测中表现出现场传感能力，可扩展到即时诊断、食品控制和风险预警等。

值得注意的是，通过引入酶、抗体和功能性核酸等生物识别材料，该传感器有可能更智能地实现痕量有机物的检测。此外，可以预期，该技术将在克服衍射光栅体积或数量限制的前提下允许高达96个检测通道。