《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Advances in Arduino-Based optical devices for colorimetric detection in Environmental, Food, and clinical applications
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Arduino-based便携式比色设备在环境监测、食品安全和临床诊断中的应用及进展，涵盖原理（吸光度/反射率）、材料（染料/纳米颗粒）及系统设计（微控制器、光学结构）。对比传统光谱法，其优势在于低成本、高便携性和实时分析能力，但灵敏度与抗干扰性仍需优化。
Arun Kumar Patel | Kamlesh Shrivas | Kavita Thakur | Anuradha Sharma | Manas Kanti Deb | Suresh Kumar Kailasa | Ravi Shankar | Takahiro Arakawa
印度赖布尔Pt. Ravishankar Shukla大学化学研究学院，CG 492010
摘要
本文综述了基于Arduino的便携式比色设备的发展及其在环境监测、食品安全和临床检测中的应用，这些设备用于检测各种化学物质（分子和离子物种）。文章介绍了比色传感的原理，包括吸光度和反射率测量方法，以及使用不同的传感材料（如色素（苦味酸、染料、KSCN、姜黄素、本尼迪克特试剂等）和纳米材料（Ag、Ce、Au纳米颗粒）来检测多种目标物质。文章还讨论了Arduino系统的设计与功能及其与比色设备的集成应用。基于Arduino的设备包括微控制器、光源、光学路径设计和光电探测器等组件。将基于Arduino的便携式比色设备的分析性能与传统的分光光度法进行了比较，展示了其在快速性、简便性、选择性和灵敏度方面的优势。这些设备被证明是用于现场和实时化学分析的理想微型工具。研究结果强调了进一步优化基于Arduino的比色设备的重要性，以便在资源有限的环境中得到更广泛的应用。
引言
化学物质（离子和分子物种）在环境监测、临床诊断和食品安全中起着关键作用。在环境中，重金属、农药、挥发性有机化合物（VOCs）和有毒气体对生态系统和人类健康构成严重威胁[1]-[2]。这些化学物质在空气、水和土壤中的存在会导致长期的生态破坏并对人类和野生动物健康产生不良影响。在临床分析中，肌酐、胆红素、脂质、血红蛋白和金属离子等生物标志物对于监测器官功能至关重要[3], [4], [5]。同样，在食品安全领域，定量营养成分和检测污染物对于保证产品质量和预防健康问题至关重要[6], [7]。因此，可靠地检测这些化学物质对于保护人类健康、维护环境安全和保持食品质量具有重要意义。
传统的分析技术，如原子吸收光谱法（AAS）[9]、电感耦合等离子体-光学发射光谱法（ICP-OES）[10]、ICP质谱法（MS）[11]、高效液相色谱法（HPLC）[12]、气相色谱法（GC）[13]、液相色谱-质谱联用法（LC-MS）[14]等，具有高灵敏度、精确度和准确性。然而，这些方法存在成本高、仪器体积庞大、需要专业操作人员以及不适合快速现场分析等缺点。尽管紫外-可见光分光光度法/比色法是一种简单且广泛用于通过吸光度测量进行定量分析的技术，但由于传统分光光度仪体积大、成本高且不便于移动，其应用仍受到限制[15], [16]。
为了提高便携性，智能手机、相机和桌面扫描仪结合RGB检测应用程序及ImageJ软件已被用于比色分析[17]-[18]。这些方法通过测量图像参数（如RGB值、灰度和饱和度）与分析物浓度相关联。其主要优点包括价格实惠、易于获取和非破坏性分析[19], [20]。例如，Shrivas及其同事使用智能手机和ImageJ软件，通过银和金纳米颗粒作为传感探针，实现了对Fe3+和As3+离子的比色检测[18], [21]。Tikeshwari等人开发了一种基于智能手机的核黄素检测方法[18]，而Mohamed等人则报道了无需紫外-可见光分光光度仪即可检测Cr?+的方法[22], [23]。尽管有这些进步，但RGB应用程序仍受智能手机摄像头质量和光照条件变化导致的RGB值波动的影响。此外，正确的校准和一致的成像条件对于确保结果可靠性是必要的。
为了克服这些限制，基于Arduino的化学传感器应运而生，成为一种有前景的替代方案。Arduino是一个基于微控制器的开源电子平台，为便携式分析设备提供了低成本和可定制的基础。在比色应用中，这些传感器使用LED作为光源和光电二极管等检测器来测量颜色强度，而Arduino微控制器处理信号[24], [25], [26], [27]。这些系统适用于检测水、食品和临床样本中的污染物，实现现场实时分析[28]。微控制器作为这些平台的核心，是集成了中央处理单元（CPU）、内存（RAM和ROM）以及输入/输出（I/O）接口的紧凑型集成电路。常用的Arduino板包括Arduino Lilypad [29]、Arduino Uno [30]、Arduino Nano [31]、Arduino Due [32]、Arduino Mega [33] 和 ESP32 [34]、STM32F4 [35]，它们以其强大的处理能力、内存容量和连接选项而闻名。这使得它们成为环境监测、食品安全评估和临床诊断等多领域中的多功能工具。Arduino Uno和Mega因其简单性、经济性和适合中等处理任务而受到青睐。对于更复杂的任务，Arduino Due和STM32F4提供更高的处理速度和更大的内存，而内置Wi-Fi和蓝牙功能的ESP32则适用于需要无线通信的物联网（IoT）应用[36], [37]。通过PubMed、Web of Science和Google Scholar进行了全面的文献调研，评估了2009年至2025年间关于“Arduino、比色法/比色检测”的研究趋势。经过手动验证，共识别出130篇相关研究（见图1）。这些出版物显示，基于Arduino的比色检测系统在食品安全、环境监测和临床应用等领域的使用日益增多。研究兴趣逐年增加，2020年达到高峰，发表了22篇论文，随后几年保持稳定增长。出版物数量的增加反映了低成本、便携且用户友好的基于Arduino的比色系统在多个科学领域的广泛应用。
根据我们的了解，这是第一篇全面探讨基于Arduino的比色传感设备的研究综述，这些设备使用色素和纳米材料作为传感探针来分析环境、临床和食品样本。本文旨在全面探讨基于Arduino的便携式比色传感设备的进展，重点介绍其在环境监测、食品安全和临床诊断中的应用（见图1）。文章系统地介绍了比色传感的基本原理，包括基于吸光度和反射率的方法，并详细介绍了微控制器、光源、光学布局和光电探测器等关键组件。此外，还强调了先进传感材料（特别是纳米材料和色素）在提高灵敏度和选择性方面的作用。本文既解释了技术基础，也展示了最新进展，同时说明了基于Arduino的比色系统如何通过提供有效的传感工具，在资源有限的环境中使分析科学更加普及。
传统比色法中的吸光度测量
在传统比色传感中，通过测量由于物质吸收光而引起的颜色变化来确定实际样本中的化学物质。比尔-朗伯定律（Beer-Lambert's law）表明，吸光度（A）与物质的浓度（c）和光通过样本的路径长度（l）成正比，公式为 A = log10(I0 / I) = ε?c?l，其中I0是入射光的强度，I是透射光的强度，ε是摩尔吸光系数
色素
比色传感中的检测机制依赖于分析物与色素试剂之间的相互作用，产生可测量的颜色变化。在基于Arduino的平台上，这些变化通过RGB传感器、光电二极管或相机模块进行监测，将光学信号转换为数字数据以供分析。Arduino微控制器实时处理这些信号，实现定量和定性检测，几乎不需要人工干预。
一个典型的例子是
便携式化学传感设备的Arduino系统基础
基于微控制器的Arduino为开发便携式化学传感设备提供了一个灵活且用户友好的平台。这些系统结合了微控制器、传感器、执行器和外围组件，实现了高效的数据采集、处理和输出，同时功耗低。自2005年问世以来，Arduino已发展成为一个开源生态系统，促进了快速原型设计，并支持多种应用，如比色检测
微控制器
微控制器是一种紧凑型集成电路，将处理器、内存和输入/输出外围设备集成在一个单元中，使嵌入式系统能够高效执行特定任务。在比色传感设备中，微控制器在自动化和管理测量过程方面发挥着关键作用，包括控制光源、从光电探测器获取数据以及根据观察到的颜色分析分析物浓度
环境应用
基于Arduino的比色设备已成为检测水、土壤和食品中的金属、阴离子、农药和营养素的低成本便携工具（见表3）。这些系统监测由化学反应引起的颜色变化，为环境和农业应用提供实时数据[68], [24], [32]。早期使用Arduino Uno结合RGB传感器和特定探针的应用实现了对Fe3+、Co2+、Hg2+、Sn2+、SO3?、HCN?和H2的检测
基于Arduino的比色法的进步
通过可穿戴技术和人工智能（AI），基于Arduino的比色系统的分析性能显著提升，提高了便携性、自动化和多种分析物的检测精度[153], [154]。早期的可穿戴比色传感器实现了环境和生物医学样本的实时监测，但传统设计通常需要离线采样和实验室分析，限制了现场应用。为了解决这一问题，基于Arduino的
基于Arduino的比色传感设备的挑战和前景
基于Arduino的比色传感设备为传统分析方法提供了便携且经济高效的替代方案，但仍面临一些挑战。灵敏度和选择性是主要限制因素，因为这些设备在低浓度下难以检测分析物或区分目标物质与干扰化合物。环境因素（如环境光、温度波动和样品浑浊度）可能导致结果不稳定，从而降低现场检测的准确性。
结论
本文总结了基于Arduino的便携式比色传感设备在环境监测、食品安全和临床诊断方面的进展、挑战和潜力。在开发低成本、便携且实时的分析系统方面取得了显著进展，创新技术如色素、纳米材料和优化光学设计提高了灵敏度、选择性和整体可用性。这些设备为
CRediT作者贡献声明
Arun Kumar Patel：撰写——初稿。
Kamlesh Shrivas：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
Kavita Thakur：撰写——审稿与编辑、监督。
Anuradha Sharma：撰写——审稿与编辑。
Manas Kanti Deb：撰写——审稿与编辑。
Suresh Kumar Kailasa：撰写——审稿与编辑。
Ravi Shankar：撰写——审稿与编辑。
Takahiro Arakawa：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
Kamlesh Shrivas感谢科学技术部（DST）在“大学研究与科学卓越计划（SR/PURSE/2022/145”项目下的财政支持。
