Zuverlässige kolorimetrische Analysetechniken werden weithin für ihre hochempfindliche und selektive Reaktion auf verschiedene Schadstoffe bei der Umweltüberwachung gelobt. Im Prinzip reagiert das chromogene Mittel selektiv mit dem Zielstoff in Wasserproben, und das farbige Produkt spiegelt das spezifische Absorptionsspektrum wider. Gemäß dem Lambert-Beer-Gesetz ist die Absorption proportional zur Konzentration der absorbierenden Spezies, was die Grundlage für den qualitativen und quantitativen Nachweis von Verunreinigungen in Wasserproben bildet. Die Beobachtung mit dem Auge hat den Vorteil, dass sie kostengünstig ist, aber die Genauigkeit ist nicht zufriedenstellend. Der herkömmliche Photoelektronendetektor, wie das Spektrophotometer und ein Mikroplattenlesegerät, ist teuer und daher in ressourcenbeschränkten oder abgelegenen Umgebungen nur schwer anwendbar.
Das Anwendungsszenario für kolorimetrische Analysetechnologien hat zu einem starken Interesse an einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Genauigkeit und Kosten geführt. In Anbetracht der Genauigkeit und der Kosten findet die Entwicklung kolorimetrischer Analysetechnologien auf der kommerziellen Mobiltelefonplattform aufgrund der niedrigen Kosten, der hohen Flexibilität, der einfachen Miniaturisierung und der weiten Verbreitung von Mobiltelefonen große Beachtung bei der Umweltüberwachung. Es wird erwartet, dass die herausragenden Vorteile der auf Mobiltelefonen basierenden kolorimetrischen Technologie die umwelt- und gesundheitsbezogenen Analysemöglichkeiten in abgelegenen oder weniger entwickelten Ländern und Regionen erheblich beschleunigen werden. Die meisten Studien, über die berichtet wurde, konzentrierten sich jedoch auf die einkanalige kolorimetrische Erkennung, was zu einer begrenzten Erkennungseffizienz führte, insbesondere bei komplizierten Verunreinigungen in Wasserproben.
Die Forschung zu Mehrkanal-Sensorsystemen auf der Grundlage von Mobiltelefonen stößt auf wachsendes Interesse, da diese Systeme das Potenzial haben, mehrere Ziele in einer einzigen Messung gleichzeitig zu erfassen, und die damit verbundenen Techniken für die schnelle Bewertung von Wasserproben schnell, robust und kostengünstig sind. Ein gängiger technologischer Weg zur Realisierung der Mehrkanal-Sensorfähigkeit besteht darin, die kolorimetrischen Bilder von 96-Well-Platten direkt mit einer Handykamera zu erfassen. In allen Fällen basierten die meisten Strategien zur Verbesserung der Sensorfähigkeit des Handy-basierten Systems auf einer monochromatischen Lichtquelle, der es an Universalität und Flexibilität gegenüber verschiedenen Verunreinigungen mangelt, die unterschiedliche Absorptionsspitzen aufweisen.
In dieser Arbeit schlugen die Forscher des Harbin Institute of Technology der Tsinghua University und der Chongqing University einen auf einem Mobiltelefon basierenden kolorimetrischen Mehrkanalsensor für die Umweltüberwachung von Wasser vor. Ein weißes LED-Array wurde als Auflicht verwendet, um eine 96-Well-Platte zu beleuchten. Um die Empfindlichkeit des Sensors zu verbessern, wurde ein empfindliches optisches Wegesystem geschaffen, indem ein Beugungsgitter verwendet wurde, um sechs weiße Strahlen aufzuteilen, die durch die mehrfarbigen Proben hindurchgehen. Das von den sechs Vertiefungen durchgelassene Licht wurde von sechs optischen Fasern aufgefangen und von einer Handykamera abgebildet, nachdem es ein Beugungsgitter passiert hatte. Das Bild wurde von einer eigens entwickelten Handy-App erfasst und mit einem speziellen Algorithmus analysiert, was zu Erkennungsergebnissen führte, die mit derselben App angezeigt wurden. Diese Studie mit dem Titel „A cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for water environmental monitoring“ wird 2022 online in Frontiers of Environmental Science & Engineering veröffentlicht.
Der kompakte Sensor wurde erfolgreich für den gleichzeitigen Nachweis verschiedener Umweltschadstoffe in einem Absorptionswellenlängenbereich von 400-700 nm getestet und erreichte dabei eine hohe Empfindlichkeit, Spezifität und Zuverlässigkeit. Durch die Einführung des Beugungsgitters zur Aufspaltung des Lichts wurde die Empfindlichkeit im Vergleich zu einem System, das das durchgehende Licht direkt fotografiert, um mehr als das Sechsfache verbessert. Als erfolgreicher Proof-of-Concept wurde der Sensor eingesetzt, um Trübung, Orthophosphat, Ammoniak-Stickstoff und drei Schwermetalle gleichzeitig mit hoher Empfindlichkeit nachzuweisen. Darüber hinaus zeigten die hohe Stabilität (RSD von 0,37%-1,60%) und die exzellenten Wiederfindungsraten (95,5%-106,0%), dass unser Sensor in realen Wassermatrizes genau detektieren kann.
Dank seiner bemerkenswerten Erkennungsleistung, der niedrigen Kosten, der einfachen Bedienung, der guten Tragbarkeit und der Multi-Index-Messung hat der Miniatursensor seine Fähigkeit zur Umweltüberwachung im Feld bewiesen, die auf die Point-of-Care-Diagnose, die Kontrolle der Lebensmittelsicherheit und die Risikofrühwarnung usw. ausgeweitet werden kann. Durch die Einführung von Biokomponenten wie Enzymen, Antikörpern und funktionellen Nukleinsäuren hat der Sensor das Potenzial, intelligenter zu werden und organische Spuren zu erkennen. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass diese Technologie eine Anzahl von bis zu 96 Detektionskanälen ermöglicht, da sie die Begrenzung des Volumens oder der Anzahl der Beugungsgitter überwindet.
