具有成本效益的分光光度计，适用于微生物生长的实时监测、土壤养分分析以及微塑料的检测

《IEEE Transactions on AgriFood Electronics》：Cost-Effective Spectrophotometer for Real-Time Monitoring of Microbial Growth, Analysis of Soil Nutrients, and Detection of Microplastics

本研究开发了一款基于常见材料和简易构造的低成本可见光光谱仪，可应用于细菌污染检测、土壤养分定量及微塑料识别。通过校准实验与商用仪器对比，系统在可见光范围内表现出高准确性，并成功实现实时微生物生长监测，适用于偏远地区快速筛查。

　　

摘要：

目前使用的高端光谱仪器虽然精度很高，但价格昂贵，且仅能在复杂的实验室环境中使用。在这项研究中，我们介绍了一种成本效益高且可靠的可见光范围分光光度计的设计与开发方法，该仪器采用常见的材料和简单的制造技术。该系统被用于评估液体样本中的细菌污染、量化土壤养分以及检测微塑料。其工作原理是通过监测样本的颜色变化和相对光谱吸收值来进行分析。系统使用已知浓度的大黄素（safranin-O）样本进行校准，其吸光度是通过商用紫外-可见光分光光度计测量的。该系统的准确性与高端商用仪器在可见光谱范围内的准确度相当。经过适当校准和验证后，该系统被用于实时监测肉汤培养基中的微生物生长、量化来自不同地点的土壤样本中的NPK成分以及检测水样中的微塑料。在微生物生长监测方面，实验中使用了既能作为指示剂又能选择性培养大肠杆菌细胞的显色培养基。我们还使用了一些通用的化学试剂来评估土壤中的NPK含量，并进一步讨论了如何利用Tauc图外推法对水样中的微塑料进行检测的概念验证。除了成本效益外，该系统还具有高度便携性，可以针对特定的光谱应用进行定制，使其成为可靠的现场检测解决方案...

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引言

光谱技术被广泛用于生物分子的敏感检测和定量分析。这种方法适用于研究、临床诊断和生物技术等领域的多种应用[1]。它有助于对吸收光线的物质（如色素、染料和其他生物测定物质）进行定性和定量分析。因此，近年来人们对开发经济实惠且便携的分光光度计表现出越来越大的兴趣[2][3][4]。在生物传感中，紫外-可见光分光光度计常与特定配体结合使用[5]。通过紫外-可见光分光光度计可以观察到分析物与配体结合后吸收光谱的变化，这一原理也应用于基于蛋白质的生物传感技术，例如ELISA[6]。研究微生物生长的最可靠方法是总平板计数法。尽管这种方法准确，但需要耗费大量时间和精力进行样本制备，并且在整个实验过程中需要保持无菌条件。此外，培养平板需要在培养18-24小时后才能读取，这限制了细菌培养的实时生长监测[7][8]。随着细菌在肉汤培养基中的繁殖，溶液的浑浊度会增加，而浑浊度可以通过光学密度来量化。近年来，光学密度测量被用于实时估计细菌生长情况。然而，选择合适的波长非常重要，因为肉汤培养基的颜色会显著影响光线的吸收[9][10][11]。例如，使用600纳米波长测量伊红甲蓝肉汤的光学密度会导致结果不准确，因为培养基本身呈红色。使用连续波长光谱可以帮助解决这一问题。在本文中，我们介绍了一种基于简易台式装置的分光光度计的开发，该装置配备了MATLAB用户界面。我们分析了接种在大肠杆菌培养基中的大肠杆菌的生长情况。该系统可以带到偏远地区，根据可见光谱吸收值对样本进行预筛选。所提出的装置适用于具有不同颜色和光学吸收系数的多种细菌生长培养基。