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

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。

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