来源:Frontiers of Environmental Science & Engineering 发布时间:2023/1/6 9:33:15
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FESE | 前沿研究:一种用于水环境监测的手机平台多通道比色传感器

论文标题:A cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for water environmental monitoring(一种用于水环境监测的手机平台多通道比色传感器)

期刊:Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者:Yunpeng Xing, Boyuan Xue, Yongshu Lin, Xueqi Wu, Fang Fang, Peishi Qi, Jinsong Guo, Xiaohong Zhou

发表时间:15 Dec 2022

DOI:10.1007/s11783-022-1590-z

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提 要

基于手机平台的比色分析技术因其成本低、通用性强、易于小型化等特点,在环境监测领域受到广泛关注。本研究开发了一种基于手机平台的多通道比色传感器,解决了传统单通道检测效率低的问题,在实际水质分析中可同时定量多种环境污染物,灵敏度高且稳定性好。该微型传感器在环境监测中具有现场传感能力,也可为现场诊断和食品安全控制提供新策略。

图1 摘要图

研 究 概 览

本研究设计了基于商用手机平台的多通道传感器结构(图2)。采用平面白光LED灯阵的96灯组(对应96孔板),白光LED照明的波长范围为400~700 nm,使传感器能够在整个可见光范围内感知污染物,手机平台作为图像识别和数据处理单元。

图2 基于手机平台的多通道传感器原理图。(A)光路设计和相应的实验设置组件,(B)结构设计

白光LED通过透射光栅,在全光谱上分布均匀,比无光栅系统的灵敏度提高了6倍以上(图3A)。以灰度模型为例,根据灰度值峰值的位置确定与像素匹配的波长(图3B),透射光栅的线性相关系数高达0.994(图3C),表明透射光栅具有良好的光色散效果。此外,通过增加采集光纤的数量和增大光栅的尺寸,光路可扩展到96个通道,使整个系统展现很高的可扩展性。

图3 基于手机平台的多通道传感器波长定标。(A)透射光栅光色散后白光LED和单色光的光谱;(B)采用灰度分析模型的白光LED与单色光光谱曲线;(C)波长与像素的线性拟合曲线

基于建立并存储的校准曲线对未知样品进行测量,可以同时分析六个水样或一个水样的六种污染物(图4)。实验中该传感器用于同时检测浑浊度、正磷酸盐、氨氮和三种重金属,具有较高的灵敏度(检测限和线性范围分别为:浑浊度 1.3 NTU,5~400 NTU;氨氮 0.014 mg/L、0.05~5 mg/L;磷酸盐 0.028 mg/L, 0.1~10 mg/L;Cr (VI) 0.0069 mg/L, 0.01~0.5 mg/L;Fe 0.025 mg/L, 0.1~2 mg/L;Zn 0.032 mg/L, 0.05~2 mg/L),和较高的可靠性(地表水6次平行测量的相对标准偏差为0.37%-1.60%,回收率为95.5%-106.0%)。

图4 基于手机平台的多通道传感器图像分析模型对比:基于R、G、B、S、V模型的(A)浊度、(C)氨氮、(E)磷酸盐校准曲线;以及基于灰色模型的(B)浊度、(D)氨氮、(F)磷酸盐的标定曲线

摘要

The development of colorimetric analysis technologies for the commercial cellphone platform has attracted great attention in environmental monitoring due to the low cost, high versatility, easy miniaturization, and widespread ownership of cellphones. This work demonstrates a cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for quantifying multiple environmental contaminants simultaneously with high sensitivity and stability. To improve the sensitivity of the sensor, a delicate optical path system was created by using a diffraction grating to split six white beams transmitting through the multiple colored samples, which allows the cellphone CMOS camera to capture the diffracted light for image analysis. The proposed sensor is a universal colorimetric detection platform for a variety of environmental contaminants with the colorimetry assay in the range of 400–700 nm. By introducing the diffraction grating for splitting light, the sensitivity was improved by over six folds compared with a system that directly photographed transmitted light. As a successful proof-of-concept, the sensor was used to detect turbidity, orthophosphate, ammonia nitrogen and three heavy metals simultaneously with high sensitivity (turbidity: detection limit of 1.3 NTU, linear range of 5–400 NTU; ammonia nitrogen: 0.014 mg/L, 0.05–5 mg/L; orthophosphate: 0.028 mg/L, 0.1–10 mg/L; Cr (VI): 0.0069 mg/L, 0.01–0.5 mg/L; Fe: 0.025 mg/L, 0.1–2 mg/L; Zn: 0.032 mg/L, 0.05–2 mg/L) and reliability (relative standard deviations of six parallel measurements of 0.37%–1.60% and recoveries of 95.5%–106.0% in surface water). The miniature sensor demonstrated in-field sensing ability in environmental monitoring, which can be extended to point-of-care diagnosis and food safety control.

编 者 按

本研究设计并提出了一种基于商用手机平台的多通道比色传感器,吸收波长范围为400~700 nm,可同时定量多种环境污染物,具有高灵敏度和特异性。由于该传感器具有成本低、易于操作、便携性好和多指标测量等优点,在环境监测、食品安全控制、风险预警等领域均具有较好的应用潜力。

文稿 | 刘统才,同济大学

编者 | 陈家斌,同济大学,FESE青年编委

审校 | 张 姣

本文内容来自FESE期刊2022年第16卷第12期发表的Research article文章 “A cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for water environmental monitoring”。通讯作者为哈尔滨工业大学祁佩时教授、重庆大学郭劲松教授、清华大学周小红副教授。

引用格式:Yunpeng Xing, Boyuan Xue, Yongshu Lin, Xueqi Wu, Fang Fang, Peishi Qi, Jinsong Guo, Xiaohong Zhou. A cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for water environmental monitoring. Environ. Sci. Eng., 2022, 16(12): 155

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声明:本文为FESE期刊编辑部与青年编委会、作者等共同制作,内容仅供参考。欢迎转发和阅读原文,并就文章提出广泛讨论。如转载,请保持内容完整、标注信息来源。

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering 是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊,聚焦环境领域前沿问题与研究成果,重点关注开创性、跨学科的研究,致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台,是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划重点期刊

共同主编:曲久辉院士,John Crittenden院士

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