Nouveau capteur multicanal colorimétrique utilisant un téléphone portable

Les technologies d’analyse colorimétrique fiables ont été largement saluées pour leurs réponses très sensibles et sélectives à divers contaminants dans la surveillance de l’environnement. En principe, l’agent chromogène réagit sélectivement avec la cible dans les échantillons d’eau, et le produit coloré reflète le spectre d’absorbance spécifique.

Obéissant à la loi de Lambert-Beer, l’absorbance est proportionnelle à la concentration des espèces absorbantes, fournissant la base pour la détection qualitative et quantitative des contaminants dans les échantillons d’eau. L’observation à l’oeil a l’avantage d’être peu coûteuse, mais la précision n’est pas satisfaisante. Le détecteur de photoélectrons conventionnel, tel que le spectrophotomètre et un lecteur de microplaques, est coûteux et donc difficile à appliquer dans des environnements à ressources limitées ou éloignés.

Le scénario d’application des technologies d’analyse colorimétrique a suscité un vif intérêt pour l’équilibre entre précision et coût. Compte tenu à la fois de la précision et du coût, le développement de technologies d’analyse colorimétrique sur la plate-forme de téléphonie mobile commerciale attire une attention particulière dans la surveillance de l’environnement en raison du faible coût, de la grande flexibilité, de la miniaturisation facile et de la propriété généralisée du téléphone portable.

Notamment, les avantages exceptionnels de la technologie colorimétrique basée sur le téléphone portable devraient accélérer considérablement les capacités d’analyse environnementale et sanitaire dans les pays et régions éloignés ou moins développés. Cependant, la majorité des études rapportées se sont concentrées sur la détection colorimétrique monocanal, ce qui a conduit à une efficacité de détection limitée, en particulier face à des contaminants complexes dans des échantillons d’eau.

La recherche sur les systèmes de détection multicanaux basés sur les téléphones portables a suscité un intérêt croissant car les systèmes ont le potentiel de détecter simultanément plusieurs cibles en une seule mesure, et les techniques impliquées pour l’évaluation rapide des échantillons d’eau sont rapides, robustes et peu coûteuses.

Pour réaliser la capacité de détection multicanal, une voie technologique courante consiste à capturer directement les images colorimétriques à partir de plaques à 96 puits à l’aide d’une caméra de téléphone portable. Dans tous les cas, la majorité des stratégies visant à améliorer la capacité de détection du système basé sur un téléphone portable étaient basées sur une source de lumière monochromatique, manquant d’universalité et de flexibilité vis-à-vis de différents contaminants qui présentaient des pics d’absorption différents.

Dans ce travail, les chercheurs de l’Institut de technologie de Harbin de l’Université Tsinghua et de l’Université de Chongqing ont proposé un capteur multicanal colorimétrique basé sur un téléphone portable pour la surveillance de l’environnement de l’eau. Un réseau de LED blanches a été utilisé comme lumière incidente pour éclairer une plaque à 96 puits. Pour améliorer la sensibilité du capteur, un système de chemin optique délicat a été créé en utilisant un réseau de diffraction pour diviser six faisceaux blancs transmettant à travers les multiples échantillons colorés.

La lumière transmise à partir de six puits a été collectée par six fibres optiques et imagée par une caméra de téléphone portable après avoir traversé un réseau de diffraction, ce qui permet à la caméra CMOS du téléphone portable de capturer la lumière diffractée pour l’analyse d’image. L’image a été capturée par une application de téléphone portable conçue sur mesure pour être analysée à l’aide d’un algorithme spécifique, produisant des résultats de détection qui ont été affichés à l’aide de la même application.

Cette étude intitulée « A cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for water environment monitoring » est publiée dans Frontières des sciences et de l’ingénierie de l’environnement.

Le capteur compact a été testé avec succès pour la détection simultanée de divers contaminants environnementaux avec une plage de longueurs d’onde d’absorption de 400 à 700 nm, atteignant une sensibilité, une spécificité et une fiabilité élevées. En introduisant le réseau de diffraction pour diviser la lumière, la sensibilité a été améliorée de plus de six fois par rapport à un système qui photographiait directement la lumière transmise.

En tant que preuve de concept réussie, le capteur a été utilisé pour détecter simultanément la turbidité, l’orthophosphate, l’azote ammoniacal et trois métaux lourds avec une sensibilité élevée. De plus, une stabilité élevée (RSD de 0,37 % à 1,60 %) et d’excellents taux de récupération (95,5 % à 106,0 %) ont démontré que le capteur peut effectuer une détection précise dans des matrices d’eau réelles.

En raison des avantages de performances de détection remarquables, d’un faible coût, d’une utilisation facile, d’une bonne portabilité et d’une mesure multi-index, le capteur miniature a démontré une capacité de détection sur le terrain dans la surveillance de l’environnement, qui peut être étendue au diagnostic au point de service, à la nourriture contrôle de la sécurité et alerte précoce des risques, etc.

Notamment, en introduisant les matériaux de bioreconnaissance, tels que l’enzyme, l’anticorps et l’acide nucléique fonctionnel, le capteur a le potentiel d’être plus intelligent pour réaliser la détection des traces de matières organiques. De plus, on peut s’attendre à ce que cette technologie autorise les canaux de détection jusqu’à 96 sur la prémisse de surmonter la limitation du volume ou du nombre du réseau de diffraction.