集成在智能手机中的纸质传感器条，用于快速、现场检测环境水样中的重金属离子

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Smartphone-integrated paper sensor strips for rapid and on-site detection of heavy metal ions in environmental water samples

检测重金属离子Cu(II)、Cr(VI)、Zn(II)、Mn(II)的纸质传感器 strips通过智能手机成像和显色反应实现低成本快速分析，检测限0.28-0.42 mg/L，与AAS法误差<8%，适用于资源有限的环境监测。

　　重金屬離子的檢測在環境監測、公共衛生和工業安全方面具有極其重要的意義。重金屬因其毒性與生物蓄積特性，可能對生態系統和人類健康造成嚴重危害。傳統的分析技術，如感應耦合等離子體質譜（ICP-MS）和原子吸收光譜（AAS），雖然具有高靈敏度和高選擇性，但其依賴昂貴的儀器、專業知識和實驗室設施，限制了其在現場和實時應用中的可行性。為了解決這些限制，本研究提出了一種基於智能手機的紙基感測條（WFP-113 和 WFP-4），可用於同時檢測水樣本中的銅（Cu(II)）、鉻（Cr(VI)）、鋅（Zn(II)）和錳（Mn(II)）離子。這種感測條利用顯色試劑，當與金屬離子形成絡合物時會產生獨特的顯色反應，從而實現視覺和定量分析，且可通過智能手機拍照和數位處理進行測量。

### 重金屬污染的威脅與現有技術的限制

重金屬如汞（Hg(II)）、鉛（Pb(II)）和鎘（Cd(II)）因其不具生物降解性、能在環境中長期存在以及易於生物蓄積和生物放大，對生態系統和人類健康構成重大威脅。它們可能通過土壤、水體和空氣滲入食物鏈，最終影響人類的健康。重金屬一旦進入人體，可能導致氧化壓力，破壞抗氧化防禦系統，並干擾重要的生物過程，影響免疫、心血管、神經和腎臟功能。即使低劑量的慢性暴露也可能導致腎臟和骨骼損傷、發育異常、神經功能障礙、高血壓和癌症風險增加。因此，需要有效的檢測、持續監測和修復技術，以保護環境和人類健康。

傳統的分析技術，如電化學方法、ICP-MS 和 AAS，雖然具有高靈敏度和準確性，但其使用成本高、操作複雜且需要專業設備，這使得它們在現場和實時應用中難以推廣。尤其在資源有限的地區，這些方法可能無法提供經濟可行的解決方案。因此，科學家們正在尋找更簡單、低成本且便攜的替代方案，以實現快速且可靠的結果，而不影響分析性能。

### 紙基感測技術的優勢與發展

紙基分析設備（PADs）因其低成本、可生物降解和易於改性，成為點對點診斷和現場診斷的有前景平台。這些感測器利用顯色反應，在與目標金屬離子結合後產生可見的顏色變化，這使得它們在不需要複雜儀器的情況下也能進行分析。顯色試劑通常含有氮、氧或硫等官能團，與金屬離子形成絡合物，並通過金屬-配體電荷轉移（MLCT）或分子內電荷轉移（ICT）機制實現顯色反應。此外，基於納米粒子的系統，如金納米粒子，也能通過聚集、腐蝕或表面沉積等過程改變其等離子共振，從而改變顏色。

近年來，材料科學和納米技術的進步顯著提高了紙基顯色感測器的性能。納米粒子的引入、微流體設計以及酶促反應的應用，提升了其靈敏度、選擇性和多重檢測能力。此外，智能手機的集成也使得這些感測器能夠實現從定性到定量的分析。現代智能手機具有高解析度的相機和先進的圖像處理能力，使其成為便攜式分析的理想工具。這些技術的結合使得紙基感測器得以應用於多種樣本，包括水、土壤、食品和生物液體。

### 紙基感測器的設計與優化

本研究設計了一種基於智能手機的紙基感測器，可在水樣本中同時檢測 Cu(II)、Cr(VI)、Zn(II) 和 Mn(II) 离子。感測器使用了四種不同的顯色試劑，每種試劑針對特定的金屬離子。CPZ（2 mM）用於 Cu(II) 檢測，形成藍色的雙（環己酮）草酸二腙絡合物。DPC（6 mM）用於 Cr(VI) 檢測，在 pH 1 時形成粉紅色的 1,5-二苯基卡巴肼-三價鉻絡合物。ZI（0.6 mM）、NaCN（10 mM）和環己酮（5% v/v）用於 Zn(II) 檢測，形成藍色的 Zn-ZI 結構。PAN（5 mM）和 NaCN（10 mM）用於 Mn(II) 檢測，形成紅色的 Mn-PAN 結構。

感測器的設計考慮了多種因素，包括試劑濃度、pH 值和反應時間。通過系統優化，確保了各個檢測區域的顯色反應在一個分鐘內完成，並在 pH 9 的條件下實現最佳的靈敏度和選擇性。對於 Cu(II) 檢測，CPZ 的最佳濃度為 4.0 mM，而在 pH 9 的條件下，其顯色反應最為穩定。對於 Cr(VI) 檢測，DPC 的最佳濃度為 4.0 mM，pH 值為 1.0，以促進 Cr(VI) 的還原和絡合物的形成。Zn(II) 和 Mn(II) 的最佳濃度和 pH 值則分別為 0.6 mM 和 5.0 mM，pH 值為 9.0，以確保其與顯色試劑形成穩定的絡合物。

### 干擾試驗與選擇性分析

在研究中，進行了干擾試驗，以評估感測器在複雜環境樣本中的選擇性。測試了多種可能的干擾離子，如 Zn(II)、Cr(VI)、Cu(II)、Cd(II)、Ba(II)、Pb(II)、Ni(II)、Mn(II)、As(III)、Hg(II) 和 Cr(III)。結果顯示，WFP-4 和 WFP-113 感測器對 Cu(II)、Cr(VI)、Zn(II) 和 Mn(II) 的選擇性良好，而對其他金屬離子的反應則較弱，表明其在受污染水體中的適用性。此外，通過添加 NaCN 和環己酮等掩蔽劑，有效抑制了 Cu(II) 和 Ni(II) 對 Zn(II) 檢測的干擾，並改善了 Mn(II) 的選擇性。

### 驗證與應用前景

為了驗證感測器的實用性，研究人員使用校準水樣本進行測試。這些水樣本由校園純化水製備，並加入不同濃度的目標金屬離子。感測器的結果與 AAS 的數據進行比較，發現其相對誤差小於 8%，R2 值超過 0.98，表明其準確性和可靠性。這使得該感測器在現場監測中具有廣泛的應用潛力。此外，感測器的檢測限（LOD）和定量限（LOQ）符合水質評估的監管標準，進一步證明其可行性。

### 成本效益與可持續性

與傳統方法相比，本研究開發的紙基感測器具有顯著的成本優勢。傳統方法如 ICP-MS、紫外可見光譜（UV–Vis）和 AAS，不僅設備昂貴，還需要專業人員、樣本預處理和化學試劑，導致每個樣本的費用在 150 到 500 印度盧比（約 2 到 6 美元）之間。而本研究的感測器僅需少量的顯色試劑和常見溶劑，如乙醇、甲醇和丙酮，以及基本的緩衝系統。所有材料的總成本估計為 3 到 5 印度盧比（約 0.04 到 0.06 美元），每個測試的總成本遠低於傳統方法，僅需不到 10 印度盧比（約 0.12 美元）。這使得感測器在資源有限的地區和現場應用中具有極大的經濟效益。

此外，感測器的設計使其不依賴電力或複雜設備，這進一步降低了其使用成本。紙基材料的可生物降解性也使其在環境保護方面具有可持續性。這些特性使得感測器不僅在環境監測中具有價值，還可能在醫療診斷、食品安全和工業廢水處理中發揮作用。

### 未來展望

未來的研究可以集中在擴展多重檢測能力，以識別更多重金屬和其他污染物。通過先進的微流體設計或多層結構，可以實現更全面的污染物檢測。此外，納米材料如功能化納米粒子或量子點的引入，可能進一步提高感測器的靈敏度和選擇性。集成人工智慧（AI）技術進行自動圖像分析，以及使用物聯網（IoT）實現實時數據傳輸，也可以提升感測器的功能。在不同環境條件下進行現場試驗，以驗證其穩定性和可靠性，同時進行規模化研究，以促進其商業化。將感測器應用於生物液體、食品安全和工業廢水，也有助於擴大其影響範圍。這項研究展示了紙基感測器與智能手機技術結合的潛力，提供了一種可及、可持續且高效的分析工具，有助於解決全球重金屬污染問題。