“碳之杯”：基于智能手机的水中溶解有机碳分析技术，用于公民科学项目

《Analyst》：Cup of Carbon: smartphone-based analysis of dissolved organic carbon in water for use in citizen science

本研究提出了一种名为“Cup of Carbon”的低成本方法，利用智能手机摄像头拍摄水样在白色背景陶瓷杯中的图像，通过白 subtraction图像处理技术估算溶解有机碳（DOC）浓度。该方法在苏格兰Galloway地区银溪沼泽地的实地测试中，与UV/Vis光谱法相比误差范围在8.2±26.2%，适用于公民科学和教育活动中的水质监测。

　　溶解有机碳（DOC）在地球碳循环中扮演着至关重要的角色，它不仅影响水体的颜色和酸碱度，还参与了水体中的多种化学、生物和物理过程。DOC是溶解有机质（DOM）的一部分，DOM是由生物物质降解产生的多种有机分子组成的复杂混合物，其组成、大小和功能基团的多样性使其在淡水系统中具有重要的生态意义。DOC的存在使得碳能够从陆地传输到水体，为水中的微生物呼吸提供底物，并且影响水体的pH值。在某些地区，如泥炭地，DOC的增加可能会显著改变水质，例如降低pH值和限制光线穿透，从而影响水体中动植物的生存环境。此外，DOC还会导致水体颜色变深，这对水处理公司而言是一个挑战，尤其是在英国等国家，因为大约70%的饮用水来自富含有机质的泥炭地。因此，监测DOC浓度对于理解人类活动对泥炭地碳流失的影响、研究气候条件对DOC浓度的影响，以及保障饮用水质量具有重要意义。

传统的DOC浓度测定方法通常依赖于总有机碳（TOC）分析仪，该仪器通过化学氧化或高温氧化方法将有机成分转化为二氧化碳，再通过红外吸收进行定量分析。另一种方法是利用紫外-可见光（UV/Vis）光谱分析，这种方法通过测量水体在特定波长下的吸光度来估算DOC浓度。尽管这些方法在成本和可操作性方面比直接分析方法更具优势，但它们仍然需要专门的仪器和实验室分析，这在资源有限的环境中可能成为障碍。因此，研究者们开始探索更简便、低成本的替代方法，特别是利用智能手机的数字图像颜色分析技术。

“Cup of Carbon”方法正是在这一背景下提出的。该方法仅需一个带有白色内壁的普通陶瓷杯、一张白色纸张和一部智能手机，通过拍摄水样照片并利用数字图像颜色分析技术来估算DOC浓度。这种方法的核心在于使用RGB数据中的蓝色通道（B通道）来判断DOC浓度，并引入了一种新的“白色减法”图像处理步骤以提高测量的准确性。尽管该步骤可能会略微降低测量的精确度，但它显著提升了数据的可靠性。研究团队还开发了一个免费的R Shiny应用程序，用于快速分析Cup of Carbon图像并估算DOC浓度，使得非专业人员也能轻松使用。

在实验过程中，研究者们首先通过制备不同浓度的DOC溶液来验证方法的可行性。他们使用一种来自土壤提取的高浓度DOC溶液，通过逐步稀释创建一系列标准溶液，并在不同浓度下进行图像采集。通过分析这些图像的RGB值，发现随着DOC浓度的增加，蓝色通道的强度显著降低，呈现出负指数关系。这种关系在后续的现场测试中得到了进一步验证。在实际应用中，研究团队在苏格兰西南部的Silver Flowe泥炭地收集了来自16条小溪和排水沟的水样，并由8位参与者使用各自的智能手机进行拍摄。所有图像都经过“白色减法”处理，并与UV/Vis光谱法测定的DOC浓度进行对比。

结果表明，使用“白色减法”处理的图像数据与UV/Vis方法的测量值之间的误差范围在±8.2%以内，平均误差为?0.24 ± 2.07 mg L?1。这表明“Cup of Carbon”方法在估算DOC浓度方面具有良好的准确性。然而，该方法的精度仍有提升空间，尤其是在较低浓度范围内，由于图像处理和不同智能手机之间的差异，导致测量结果的离散度较高。为了提高精度，研究团队建议通过增加重复测量来减少误差。此外，他们还发现，某些智能手机由于使用了闪光灯或其他图像处理功能，可能会影响图像质量，从而导致DOC估算的偏差。因此，为了确保方法的可靠性，建议用户在使用过程中避免使用闪光灯，并保持稳定的拍摄距离和角度。

在实际应用中，“Cup of Carbon”方法展现出极高的可行性，尤其是在公民科学、教育和环境监测等资源有限的场景中。它不仅降低了测量成本，还简化了操作流程，使得非专业人士也能参与到水体质量的监测中。这种方法的出现为环境科学和水资源研究提供了新的工具，有助于扩大数据收集的范围和提高公众的环境意识。尽管该方法在某些方面仍存在局限性，例如对浑浊水样或高浓度铁离子（Fe3?）的干扰，但其基本原理和操作方式已显示出良好的适应性和实用性。

进一步的优化方向包括开发更加智能化的智能手机应用程序，以自动处理图像并提供更准确的DOC估算结果。此外，研究团队还建议在实际应用中引入校准卡片，以根据不同的光照条件调整图像分析的准确性。这种校准卡片可以包含不同颜色的方块，覆盖DOC浓度的典型范围，从而帮助用户在不同环境中更精确地进行测量。此外，研究者们还提到，通过探索绿色通道（G通道）在高浓度情况下的表现，或在极端情况下对水样进行稀释，可能有助于扩大该方法的应用范围。

总体而言，“Cup of Carbon”方法为DOC浓度的估算提供了一种低成本、高可及性且易于操作的解决方案。它不仅有助于科学研究，还能促进公众参与，为环境监测和水资源管理带来新的可能性。随着技术的不断进步，这种方法有望在未来得到更广泛的应用，并为全球范围内的水体质量监测提供有力支持。