Smart-PAD：基于多通道机械自动化方法的高通量纸基比色分析平台及其在氨检测中的应用

《Analytica Chimica Acta》：Smart-PAD: A Multi-Channel Mechanized Approach for High-Throughput Paper-Based Colorimetric Analysis: Determination of Ammonia via the Berthelot Reaction

本文介绍了一种名为Smart-PAD的自动化分析系统，该系统集成了3D打印样品转盘和8通道数字光传感器（AS7341），通过ESP-32微控制器控制，实现了纸基分析器件（PADs）的高通量、高精度比色分析。该系统解决了传统方法中因手动操作导致的重现性差、通量低等问题，并在肥料样品中通过Berthelot反应成功验证了其检测铵离子（NH4+）的准确性与可靠性，为环境监测、农业分析和生物医学诊断提供了可扩展的低成本自动化解决方案。

　　

Highlight

Chemicals, reagents and samples

本研究使用的所有试剂和溶剂均为分析纯级别。通过将适量化合物溶解在Milli-Q纯水（18.2 MΩ·cm）中，制备了浓度为20 mmol L^-1的靛蓝（来自Sigma-Aldrich，德国）、柠檬黄、日落黄、宝石红和溴甲酚绿（来自Merck，德国）的储备溶液。

对于铵离子的定量分析，使用了两种试剂：试剂1通过将10克水杨酸钠（来自Synth，巴西）和0.5克 sodium nitroprusside（来自Sigma-Aldrich，德国）溶解在100毫升Milli-Q水中制备；试剂2是次氯酸钠溶液（来自Sigma-Aldrich，德国），有效氯含量为10-15%。

Smart-PAD construction

Smart-PAD巧妙地集成了一个样品转盘，用于自动化纸基分析器件（PADs）上的比色分析。具体来说，该转盘包含一系列连续的10×10毫米卡槽，通过3D打印制成，用于牢固固定PADs。此外，一个精确定位的光学窗口——位于PAD中心并固定于1.0毫米高度（图1）——确保了样品与AS7341传感器之间的最佳相互作用。这种配置经过精心设计和优化，以增强测量性能。

Conclusions

Smart-PAD系统在自动化纸基分析器件的比色分析中表现出高效率和重现性。3D打印样品转盘与AS7341传感器的集成，得益于传感器的8个通道，实现了在宽波长范围内的精确反射率测量，为比色分析提供了广泛的应用可能性。该系统能够高效、精确地进行测量，在约8.2分钟内完成17个点（包括一个参比点）的分析，每个测量周期为19.4秒，相对标准偏差（RSD）低至3.2%。通过Berthelot反应对肥料样品中铵离子的定量分析验证了该平台在复杂基质和实际分析条件下的准确性、重现性和稳健性。该系统的模块化设计和低成本特性，使其易于适应各种分析需求，在环境监测、农业分析和生物医学诊断等领域展现出巨大潜力。