《Sustainable Production and Consumption》：A New Multitracker Device for Rapid, in-field Detection of Multiple Water Contaminants
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一种新型低成本便携式光学多污染物检测设备“Multitracker”研制成功，可同时检测砷、铬、铁、氟四种污染物，检测范围覆盖ppb至ppm级，经与ICP-MS等标准仪器对比验证，具有抗温湿度干扰、3D打印结构、单电池供电（成本22.5美元）等特点，适用于现场快速水质监测。
Swapnil Meshram|Shankar Ramachandran|Rajdip Bandyopadhyaya
印度理工学院孟买分校化学工程系胶体与纳米材料实验室，Powai，Mumbai，400076，印度
摘要：
在从十亿分之一（ppb）到百万分之一（ppm）的广泛范围内，准确且选择性地检测多种水污染物至关重要，因为污染物浓度会随时间变化。为此开发了一种新的“Multitracker”设备。该设备采用概念设计，通过3D打印并在内部组装而成，具有三对垂直排列的LED-光电晶体管，以最小化光学干扰，并能够检测多种物质，通过使用特定于污染物的试剂进行光学测量来量化这些物质。该设备还包括一个微控制器，可以检测四种污染物，即砷、铬、铁和氟化物，覆盖可见光和红外光谱范围。“Multitracker”能够检测出低于和高于世界卫生组织规定的饮用水允许限值的污染物。其检测范围分别为：砷（2.5 ppb–1 ppm）、六价铬（3 ppb–2.5 ppm）、亚铁（69 ppb–15 ppm）以及氟化物（160 ppb–8 ppm）。使用该设备进行的环境测试显示，除了砷之外，没有其他物质产生干扰；对于砷，使用了Amberlite IRA-96树脂来减轻磷酸盐的干扰。与ICP-MS、ICP-AES、紫外-可见光谱仪和离子选择性电极等标准仪器进行验证后，确认了“Multitracker”的准确性，即使是对来自不同自然来源的水样也是如此。该设备在不同的温度和湿度条件下也能保持可靠的性能。它具有多种优势，如成本效益高（22.5美元）、体积小巧（19 × 11 × 8厘米）、重量轻（920克）、检测速度快（1-15分钟，具体取决于污染物种类），并且只需两节可充电电池即可操作。因此，“Multitracker”提供了一种新型的紧凑型光学装置，适用于多物种检测，不同于现有的设备，非常适合现场部署和快速测量。
引言
为了了解安全饮用水的可用性，检测污染物至关重要，因为水越来越多地受到金属和非金属的污染，这些污染物的含量常常超过世界卫生组织（WHO）的指导标准，对健康构成严重威胁。WHO的限值如下：砷（As，10 ppb）、铬（Cr，50 ppb）、铁（Fe，0.3 ppm）和氟化物（1.5 ppm）；这些物质尤其令人担忧，因为全球范围内地下水中这些物质的含量普遍超过了允许限值[1]。由于自然和人为因素的影响，砷、铬、氟化物和铁的含量不断上升，对肝脏、肾脏、骨骼、牙齿、消化系统和神经系统产生不利影响[2]。智利、墨西哥、中国、阿根廷、美国和匈牙利的地下水中砷含量过高已有充分记录[3]。台湾和孟加拉国的皮肤癌病例因饮用水中的砷暴露而增加[4]、[5]；在美国，即使低于允许限值（>10 ppb）的暴露也与皮肤癌发病率上升有关；那里有超过200万人依赖私人井水，仍然面临砷暴露的风险[6]、[7]。相比之下，地下水中的氟化物是一种非金属污染物，会导致骨骼和牙齿氟斑牙[5]。
已经报道了多种重金属检测方法，包括电化学[12]、[13]、荧光[14]、[15]、[16]和比色法[14]、[18]、[19]、[20]。尽管这些方法能够提供准确的测量结果，但电化学和荧光方法通常需要复杂的仪器，在许多情况下，它们的灵敏度、选择性和操作范围（特别是对于检测低于和高于WHO允许限值的浓度）仍然有限，相比之下比色法更为优越[18]、[20]。已经报道了多种使用电化学和比色法进行污染物检测的设备[21]、[22]、[23]。然而，许多这些系统要么不够经济实惠，要么不够紧凑，要么不能3D打印（因此难以复制），也无法实现快速、现场和选择性的检测或简单操作，仍有改进的空间。
除了上述传统方法外，还出现了先进的检测平台，包括基于纸张的[24]、[25]、[26]、[27]、集成在智能手机中的[17]、[28-30]以及微流控设备[22]、[27]。这些平台能够对水污染物进行定性和定量分析。例如，开发了一种基于纸张的电化学装置（定性检测）[24]，用于检测Cd(II)、Pb(II)、Fe(II)和Ni(II)。此外，还开发了一种基于智能手机的纸质装置（定量检测），使用比色技术检测Hg(II)、Pb(II)和Cu(II)[17]。进一步地，还开发了一种三维纸质微流控芯片装置，利用荧光技术检测Cu(II)和Hg(II)[22]。
因此，需要一种能够选择性和准确检测水中常见污染物（这些污染物会影响人类健康）的手持设备。该设备应能够检测ppb和ppm级别的污染物，包括低于和高于WHO允许限值的浓度。此外，该设备必须能够抵抗外部环境因素的影响，如温度和湿度的变化，确保在现场测试中提供可靠且一致的测量结果，同时还要用户友好并具备快速检测能力。
实验细节
“Multitracker”基于特定于分析物的反应原理，每种污染物与其相应的试剂反应会产生不同的颜色变化，这种颜色变化在可见光或红外区域进行测量。通过吸光度测量来量化颜色强度，从而实现快速和选择性的检测。该系统设计简单、成本低廉，并且使用3D打印组件和常见的电子元件，易于复制。
“Multitracker”的灵敏度
光源使用5 V电压，检测器测量参考样品（水）的模拟电压为3.8 V。这主要是因为透射光强度低于发射光强度，而发射光的扩散角度为32°。虽然4 V（接近3.8 V）的参考电压可以提高ADC的精度，但需要外部组件将电压从5 V降至4 V，从而增加电路的复杂性。为了避免这种情况，因此采用了默认的5 V参考电压。
结论
“Multitracker”设备的开发采用了内部设计和3D打印的组件，不仅降低了制造成本（22.5美元），还引入了创新功能，使其成为一种高效的设备，能够通过光学方法快速、在现场轻松准确地检测水中的多种污染物。该设备采用了新颖的3D打印设计，包括一个内部定制设计的比色皿容器（3D打印的光学外壳），光路宽度为3毫米，各组件垂直排列。
作者贡献声明
Rajdip Bandyopadhyaya：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、可视化、项目管理、方法论、正式分析、概念构思。Shankar Ramachandran：方法论、实验研究、正式分析。Swapnil Meshram：撰写原始草稿、可视化、验证、方法论、实验研究、数据整理、概念构思
未引用的参考文献
[8]; [9]; [10]; [11]; [28].
利益冲突声明
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致谢
我们想感谢Anandamoy Mukhopadhyay在印度喀拉拉邦进行现场测试期间提供的宝贵支持，以及Aryan Sagar和Chandu Kotcherla在最终实验中协助样品准备的工作，他们均来自我们的研究小组。我们还要感谢印度理工学院孟买分校的Sophisticated Analytical Instrumentation Facility (SAIF) 提供的ICP-MS仪器。
