來(lái)源：環(huán)境科學(xué)與工程前沿（2022 年）。DOI： 10.1007/s11783-022-1590-z

可靠的比色分析技術(shù)因其對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中各種污染物的高度靈敏和選擇性響應(yīng)而廣受贊譽(yù)。原則上，顯色劑選擇性地與水樣中的靶標(biāo)反應(yīng)，有色產(chǎn)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(zhì)的濃度成正比，為水樣中污染物的定性和定量檢測(cè)提供了基礎(chǔ)。肉眼觀察具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但精度不盡如人意。傳統(tǒng)的光電子檢測(cè)器，如分光光度計(jì)和酶標(biāo)儀，價(jià)格昂貴，因此難以在資源有限或偏遠(yuǎn)的環(huán)境中應(yīng)用。

比色分析技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景引起了人們對(duì)準(zhǔn)確性和成本平衡的濃厚興趣�？紤]到準(zhǔn)確性和成本，在商用手機(jī)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)比色分析技術(shù)因其成本低、靈活性高、易于小型化和手機(jī)的廣泛擁有性，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中受到廣泛關(guān)注。

值得注意的是，基于手機(jī)的比色技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)有望大大加快偏遠(yuǎn)或欠發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的環(huán)境和健康相關(guān)分析能力。然而，大多數(shù)報(bào)道的研究都集中在單通道比色檢測(cè)上，這導(dǎo)致檢測(cè)效率有限，尤其是面對(duì)水樣中的復(fù)雜污染物。

基于手機(jī)的多通道傳感系統(tǒng)的研究引起了越來(lái)越多的興趣，因?yàn)檫@些系統(tǒng)有可能在一次測(cè)量中同時(shí)檢測(cè)多個(gè)目標(biāo)，并且用于快速評(píng)估水樣的相關(guān)技術(shù)快速、穩(wěn)健且價(jià)格低廉。

為了實(shí)現(xiàn)多通道傳感能力，主流技術(shù)途徑是使用手機(jī)相機(jī)直接從96孔板捕獲比色圖像。在所有情況下，大多數(shù)提高基于手機(jī)的系統(tǒng)傳感能力的策略都是基于單色光源的，對(duì)表現(xiàn)出不同吸收峰的不同污染物缺乏通用性和靈活性。

在這項(xiàng)工作中，來(lái)自清華大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)和重慶大學(xué)的研究人員提出了一種基于手機(jī)的比色多通道傳感器，用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)。使用白色LED陣列作為入射光來(lái)照亮96孔板。為了提高傳感器的靈敏度，通過(guò)使用衍射光柵分離通過(guò)多個(gè)彩色樣品傳輸?shù)牧鶄�(gè)白色光束，創(chuàng)建了一個(gè)精細(xì)的光路系統(tǒng)。

來(lái)自六個(gè)孔的透射光通過(guò)六根光纖收集，并通過(guò)衍射光柵后由手機(jī)相機(jī)成像，這使得手機(jī)CMOS相機(jī)能夠捕獲衍射光進(jìn)行圖像分析。該圖像由定制設(shè)計(jì)的手機(jī)應(yīng)用程序捕獲，用于使用特定算法進(jìn)行分析，產(chǎn)生使用同一應(yīng)用程序顯示的檢測(cè)結(jié)果。

這項(xiàng)題為“用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)的基于手機(jī)的比色多通道傳感器”的研究發(fā)表在《環(huán)境科學(xué)與工程前沿》上。

這款緊湊型傳感器經(jīng)過(guò)成功測(cè)試，可同時(shí)檢測(cè)吸收波長(zhǎng)范圍為 400–700 nm 的各種環(huán)境污染物，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、特異性和可靠性。通過(guò)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(yàn)證，該傳感器用于同時(shí)檢測(cè)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(shí)水基質(zhì)中進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。

由于微型傳感器具有檢測(cè)性能顯著、成本低、操作方便、便攜性好、多指標(biāo)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出現(xiàn)場(chǎng)傳感能力，可擴(kuò)展到即時(shí)診斷、食品控制和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等。

值得注意的是，通過(guò)引入酶、抗體和功能性核酸等生物識(shí)別材料，該傳感器有可能更智能地實(shí)現(xiàn)痕量有機(jī)物的檢測(cè)。此外，可以預(yù)期，該技術(shù)將在克服衍射光柵體積或數(shù)量限制的前提下允許高達(dá)96個(gè)檢測(cè)通道。