Zuverlässige kolorimetrische Analysetechnologien wurden weithin für ihre hochempfindlichen und selektiven Reaktionen auf verschiedene Schadstoffe in der Umweltüberwachung gelobt. Im Prinzip reagiert das chromogene Mittel selektiv mit dem Target in Wasserproben, und das gefärbte Produkt spiegelt das spezifische Absorptionsspektrum wider.
Gemäß dem Lambert-Beer-Gesetz ist die Extinktion proportional zur Konzentration der absorbierenden Spezies und bildet die Grundlage für den qualitativen und quantitativen Nachweis von Verunreinigungen in Wasserproben. Die Beobachtung mit dem Auge hat den Vorteil niedriger Kosten, aber die Genauigkeit ist unbefriedigend. Der herkömmliche Photoelektronendetektor, wie z. B. das Spektrophotometer und ein Mikroplattenlesegerät, ist teuer und daher schwierig in ressourcenbeschränkten oder abgelegenen Umgebungen anzuwenden.
Das Anwendungsszenario kolorimetrischer Analysetechnologien hat zu einem starken Interesse am Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Kosten geführt. Unter Berücksichtigung sowohl der Genauigkeit als auch der Kosten erhält die Entwicklung kolorimetrischer Analysetechnologien auf der kommerziellen Mobiltelefonplattform aufgrund der geringen Kosten, der hohen Flexibilität, der einfachen Miniaturisierung und des weit verbreiteten Besitzes von Mobiltelefonen erhebliche Aufmerksamkeit in der Umweltüberwachung.
Es wird insbesondere erwartet, dass die herausragenden Vorteile der auf Mobiltelefonen basierenden kolorimetrischen Technologie die umwelt- und gesundheitsbezogenen Analysefähigkeiten in abgelegenen oder weniger entwickelten Ländern und Regionen erheblich beschleunigen werden. Die Mehrheit der berichteten Studien konzentrierte sich jedoch auf die kolorimetrische Einkanaldetektion, was zu einer begrenzten Detektionseffizienz führte, insbesondere angesichts komplizierter Verunreinigungen in Wasserproben.
Die Forschung zu mobiltelefonbasierten Mehrkanal-Sensorsystemen hat wachsendes Interesse geweckt, da die Systeme das Potenzial haben, mehrere Ziele gleichzeitig in einer einzigen Messung zu erkennen, und die beteiligten Techniken zur schnellen Bewertung von Wasserproben schnell, robust und kostengünstig sind.
Um die Mehrkanal-Erfassungsfähigkeit zu realisieren, besteht ein gängiger Technologieweg 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 mobiltelefonbasierten Systems auf einer monochromatischen Lichtquelle, der es an Universalität und Flexibilität gegenüber verschiedenen Schadstoffen mangelte, die unterschiedliche Absorptionsspitzen aufwiesen.
In dieser Arbeit schlugen die Forscher des Harbin Institute of Technology der Tsinghua University und der Chongqing University einen mobiltelefonbasierten kolorimetrischen Mehrkanalsensor für die Überwachung der Wasserumgebung vor. Als einfallendes Licht wurde ein weißes LED-Array verwendet, um eine Platte mit 96 Vertiefungen zu beleuchten. Um die Empfindlichkeit des Sensors zu verbessern, wurde ein empfindliches optisches Pfadsystem geschaffen, indem ein Beugungsgitter verwendet wurde, um sechs weiße Strahlen zu teilen, die durch die mehreren farbigen Proben hindurchgingen.
Das durchgelassene Licht aus sechs Vertiefungen wurde von sechs optischen Fasern gesammelt und von einer Mobiltelefonkamera abgebildet, nachdem es durch ein Beugungsgitter geleitet wurde, wodurch die CMOS-Kamera des Mobiltelefons das gebeugte Licht für die Bildanalyse erfassen kann. Das Bild wurde von einer speziell entwickelten Handy-App zur Analyse mit einem speziellen Algorithmus erfasst, 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“ ist in veröffentlicht Grenzen der Umweltwissenschaften und -technik.
Der kompakte Sensor wurde erfolgreich für den gleichzeitigen Nachweis verschiedener Umweltschadstoffe mit einem Absorptionswellenlängenbereich von 400–700 nm getestet und erreichte eine hohe Empfindlichkeit, Spezifität und Zuverlässigkeit. Durch die Einführung des Beugungsgitters zum Teilen von Licht wurde die Empfindlichkeit um mehr als das Sechsfache verbessert, verglichen mit einem System, das direkt übertragenes Licht fotografierte.
Als erfolgreicher Proof-of-Concept wurde der Sensor verwendet, um Trübung, Orthophosphat, Ammoniakstickstoff und drei Schwermetalle gleichzeitig mit hoher Empfindlichkeit nachzuweisen. Darüber hinaus zeigten eine hohe Stabilität (RSD von 0,37 %–1,60 %) und hervorragende Wiederfindungen (95,5 %–106,0 %), dass der Sensor eine genaue Erkennung in echten Wassermatrizen durchführen kann.
Aufgrund der bemerkenswerten Erkennungsleistung, der niedrigen Kosten, der einfachen Bedienung, der guten Tragbarkeit und der Multi-Index-Messung demonstrierte der Miniatursensor die Fähigkeit zur Erfassung vor Ort in der Umweltüberwachung, die auf die Point-of-Care-Diagnose und Lebensmittel ausgedehnt werden kann Sicherheitskontrolle und Risikofrühwarnung etc.
Insbesondere durch die Einführung von Bioerkennungsmaterialien wie Enzymen, Antikörpern und funktionellen Nukleinsäuren hat der Sensor das Potenzial, intelligenter zu sein, um den Nachweis von Spuren organischer Stoffe zu realisieren. Ferner kann erwartet werden, dass diese Technologie unter der Prämisse, die Beschränkung des Volumens oder der Anzahl der Beugungsgitter zu überwinden, Detektionskanäle von bis zu 96 ermöglichen würde.
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Yunpeng Xing et al, Ein Handy-basierter kolorimetrischer Mehrkanalsensor für die Überwachung der Wasserumgebung, Grenzen der Umweltwissenschaften und -technik (2022). DOI: 10.1007/s11783-022-1590-z
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