來源：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)因其對環(huán)境監(jiān)測中各種污染物的高度靈敏和選擇性響應(yīng)而廣受贊譽。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提供了基礎(chǔ)。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(biāo)儀，價格昂貴，因此難以在資源有限或偏遠的環(huán)境中應(yīng)用。

比色分析技術(shù)的應(yīng)用場景引起了人們對準(zhǔn)確性和成本平衡的濃厚興趣。考慮到準(zhǔn)確性和成本，在商用手機平臺上開發(fā)比色分析技術(shù)因其成本低、靈活性高、易于小型化和手機的廣泛擁有性，在環(huán)境監(jiān)測中受到廣泛關(guān)注。

值得注意的是，基于手機的比色技術(shù)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(guān)分析能力。然而，大多數(shù)報道的研究都集中在單通道比色檢測上，這導(dǎo)致檢測效率有限，尤其是面對水樣中的復(fù)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(biāo)，并且用于快速評估水樣的相關(guān)技術(shù)快速、穩(wěn)健且價格低廉。

為了實現(xiàn)多通道傳感能力，主流技術(shù)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(shù)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(xiàn)出不同吸收峰的不同污染物缺乏通用性和靈活性。

在這項工作中，來自清華大學(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?shù)牧鶄�白色光束，創(chuàng)建了一個精細(xì)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(shè)計的手機應(yīng)用程序捕獲，用于使用特定算法進行分析，產(chǎn)生使用同一應(yīng)用程序顯示的檢測結(jié)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(xué)與工程前沿》上。

這款緊湊型傳感器經(jīng)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(xiàn)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(zhì)中進行準(zhǔn)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(biāo)測量等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測中表現(xiàn)出現(xiàn)場傳感能力，可擴展到即時診斷、食品控制和風(fēng)險預(yù)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(xiàn)痕量有機物的檢測。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96個檢測通道。