基于自制纸基分析装置（PAD）和数字图像分析（DIA）并结合逐步MATLAB协议的游泳池水中氯酸盐（ClO3?）自动化筛查

《Microchemical Journal》：Automated screening of chlorate in swimming pool water using an in-house paper-based analytical device (PAD) and digital image analysis (DIA) supported by a step-by-step MATLAB protocol

　　

环保靛蓝胭脂红（indigo carmine）法经优化用于处理水中氯酸盐（chlorate, ClO₃^?）筛查。纸基数字图像分析（digital image analysis, DIA）方法显示出最佳灵敏度和最低试剂消耗。所提出的DIA-纸基分析装置（paper-based analytical device, PAD）工作流表现出令人满意的准确度和精密度。基于PAD的自动化协议可实现低成本、便携且可持续的DIA分析。制备采用简单的无蜡标记笔方法并进行热稳定化。

Ainara Cirion 等围绕游泳池水中氯酸盐（chlorate, ClO₃^?）筛查开展研究。消毒是游泳池水处理的关键阶段，常用氯代消毒剂可生成消毒副产物（disinfection by-products, DBPs）。DBPs 的形成受消毒剂种类、温度、pH、接触时间和消毒剂剂量影响。氯酸盐可被肠道吸收并在甲状腺积累，引起激素问题；高温下次氯酸盐（hypochlorite, OCl^?）分解更快，可促进氯酸盐形成。世界卫生组织（World Health Organization, WHO）曾提出亚氯酸盐（chlorite, ClO₂^?）0.20 mg/L 临时指导值，后建立亚氯酸盐和氯酸盐 0.7 mg/L 限值，基于耐受每日摄入量（tolerable daily intake, TDI）0.03 mg/kg 体重；娱乐水建议低于 3 mg/L。已有泳池高氯酸盐报道。离子色谱（ion chromatography, IC）可测定氯酸盐，但成本高、分析时间长、前处理多，且受碳酸盐、硝酸盐等常见阴离子干扰。分光光度法较常用，但 N,N′-diethyl-p-phenylene diamine（DPD）、Leuco Crystal Violet、Lysamine Green B、Acid Yellow 17 与所有氯种反应；ortho-tolidine（o-tolidine）和 Benzidine 有毒且为 Category 1B 致癌物；靛蓝胭脂红（indigo carmine）无毒、非致癌。pH 0 下，indigo carmine 与 ClO₃^? 和 ClO₂^? 发生动力学褪色，其中 ClO₃^? 氧化能力更强。数字图像分析（DIA）可基于颜色变化定量，具有试剂和样品体积小、成本低、即时、可自动化等优点；纸基分析装置（paper-based analytical device, PAD）可固定试剂、减少废物、降低操作者暴露，但文献中许多 PAD 依赖蜡打印，蜡打印机停产使替代制备方法更 relevant。因此，研究人员建立 DIA-PAD 筛查游泳池水中氯酸盐，并开发 MATLAB 逐步自动化协议。

研究人员采用 indigo carmine 比色化学，制备自制 PAD，建立 DIA-PAD，优化点样体积、干燥方式和图像采集时间；以紫外-可见分光光度法（UV-Vis spectrophotometry）和 IC 为参照，对九个游泳池水样进行三平行分析；开展干扰、回收、方差分析和配对 t 检验，并进行分析绿色度指标法（Analytical GREENness metric approach, AGREE）评价。研究结论表明，DIA-PAD 与 UV-Vis、IC 具有满意一致性，适合半定量筛查；其成本低、便携、可持续，可用于小实验室或体育中心现场筛查，但 IC 等传统技术仍用于确证分析和法规合规。九个泳池水样均检出氯酸盐，浓度 2.1–26.9 mg/L，多数超过 3 mg/L，PZA 样品最高 26.9 mg/L。

关键技术方法概述：研究人员采用靛蓝胭脂红比色法，在 pH≈0 酸性条件下检测 ClO₃^?。以定性滤纸为基底，用永久马克笔绘制约 5 mm 圆点，经 150 °C、30 s 平板熨斗加热稳定，背面胶带防漏。反应先在样品瓶中进行，10 min 后取 12 μL 点样；用带散风器的吹风机中热低风、距纸约 20 cm 干燥 15 min；在自制白 LED 木制灯箱中用智能手机固定拍摄；MATLAB R2024a 提取 RGB，采用 R 通道。以 UV-Vis 和 IC 为参照。样本为西班牙北部九个游泳池水样，来自公共体育中心、露营地和健身房等，含室内外泳池，其中一池两个时间点，每样三平行。

研究结果：
3.1 Calibration curves（校准曲线）：UV-Vis 监测氯酸盐与 indigo carmine 的动力学反应，610 nm 处加 37% HCl 后 600 s 达到稳定；低、高范围分别使用 17 和 56 mg/L indigo carmine，低浓度范围出现两个不同斜率线性区。DIA-PAD 用 MATLAB 提取 RGB 信号，R 通道灵敏度和区分度最佳，加 HCl 后 600 s 拍照，获得低、高范围校准曲线。

3.2 Validation parameters（验证参数）：高范围校准 R² 为 0.999（UV-Vis）和 0.997（DIA-PAD）；低范围为 0.946–0.994 和 0.940。UV-Vis 的检出限（limit of detection, LOD）和定量限（limit of quantification, LOQ）分别为 0.3 和 0.8 mg/L；DIA-PAD 为 0.8 和 2.5 mg/L。高范围 UV-Vis 日内和日间相对标准偏差（relative standard deviation, RSD）低于 1%，DIA-PAD 低于 5%；低范围均满足 AOAC 标准。所有方法相对误差（relative error, RE）低于 10%。DIA-PAD 虽灵敏度较低，但适合作为筛查工具。

3.3 Interference study（干扰研究）：亚氯酸盐与氯酸盐比值低于 0.2 时误差接近零，高于 0.3 时超过 10%，接近 1.2 时超过 40%，故 [ClO₂^?]/[ClO₃^?] 应低于 0.3；实际样品 IC 未检出亚氯酸盐。次氯酸盐与氯酸盐比值高于 1 时误差超过 10%，为 2 时约 40%，高于 4 时达 100%；实际泳池水样碘量滴定未显示可测残余氧化剂。Cl^?、ClO₄^? 及 Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、NO₃^?、HCO₃^? 等影响较小；HCO₃^? 在强酸下缓冲能力可忽略。

3.4 Application to swimming pool samples（游泳池样品应用）：UV-Vis 和 DIA-PAD 与 IC 比较，所有分析三平行。两个低浓度样品使用低范围校准，其余使用高范围。大多数样品 RE 低于 ±10%，PBE 和 PHG 偏差较大。PPO 和 PGO 加标回收中，UV-Vis 回收率为 108% 和 106%，DIA-PAD 为 104% 和 91%。IC 测得氯酸盐浓度 2.1–26.9 mg/L，多数超过 3 mg/L，PZA 最高为 26.9 mg/L。

3.5 Comparative of analytical techniques（分析技术比较）：双因素方差分析（analysis of variance, ANOVA）显示技术间无显著差异（p=0.12），无显著交互（p=0.87）；配对 t 检验中 UV-Vis 和 DIA-PAD 的 t_calc 分别为 1.94 和 0.88，低于临界值 2.30，表明与 IC 无统计学显著差异。DIA 本工作 LOD 为 0.60–0.80 mg/L，RSD 2.0–5.3%，RE 3.7–9.3%，时间 11 min，不使用危险试剂，总体积 0.4–2.5 mL。

3.6 Analytical GREENness metric approach（AGREE）study：DIA-PAD 的 AGREE 得分为 0.72，IC 为 0.60，整体环境性能改善约 20%。差异主要来自原则 2、3、5、7、8、11，与样品处理简化、试剂消耗降低和废物产生减少有关。

3.7 Step-by-step automatized measurement protocol for DIA-PAD with the use of MATLAB：研究人员建立 SpotTestChlorate.m 函数，实现自动化与交互式分析。纸基支持物为 8 列×3 行，第一行放氯酸盐标准溶液，第二、三行放三平行样品。步骤包括制备 indigo carmine 溶液，混合 HCl，制备 2.1–8.4 mg/L 校准点，反应 10 min，取 12 μL 点样，吹风机干燥 15 min，灯箱拍照，MATLAB 中选择标准与样品点，提取 R 通道均值，建立校准曲线并计算浓度、标准偏差和稀释校正；可交互删除校准点或样品点、命名样品、保存 Excel，并输出校准曲线、样品结果图和最终结果表。

讨论部分总结：DIA-PAD 提供了简便、低成本、便携和绿色的筛查方案，与 UV-Vis 和 IC 结果一致，AGREE 得分更高。局限包括灵敏度较低、需严格控制照明条件；亚氯酸盐和次氯酸盐为潜在干扰物，但在实际游泳池样品中未显著存在。九个实际泳池水样均检出氯酸盐，多数超过 3 mg/L，最高约为该阈值十倍，提示氯酸盐积累可能与游泳池水循环过程有关，需要定期监测。DIA-PAD 适合现场筛查，IC 等传统方法仍用于确证分析和法规合规。

研究结论翻译：在本研究中，评估了两种基于靛蓝胭脂红（indigo carmine）比色反应的方法，用于测定游泳池水样中的氯酸盐。所提出的数字方法（DIA-PAD）整合了自制纸基分析装置、比色检测和基于 MATLAB 的自动化图像处理协议，提供了一种简单、低成本且便携的工作流程，适用于现场筛查应用。该方法的关键优势在于装置制备极为简便，不需要蜡打印机等专用设备，即使在小实验室或资源有限环境中也可直接实施。这种简便性与数字图像处理相结合，支持其作为常规水质监测的简单筛查工具的潜在用途。DIA-PAD 的分析性能与 UV-Vis 分光光度法和 IC 表现出令人满意的一致性，证实其适用于半定量分析。然而，观察到灵敏度方面的限制，以及需要严格控制照明条件以确保信号重现性。在选择性方面，亚氯酸盐和次氯酸盐被识别为潜在干扰物，尽管在分析的游泳池水样中未以显著水平存在。在实际干扰条件下，氯酸盐定量显示出良好的稳健性。对九个真实游泳池水样的分析证实所有样品中均存在氯酸盐，浓度范围从中等至高度升高。在大多数样品中，氯酸盐超过了由耐受每日摄入量考虑得出的 3 mg/L 参考值，最高浓度约达到该阈值的十倍。这些发现表明，氯酸盐积累可能与游泳池水循环过程有关，突显了定期监测的必要性。总体而言，DIA-PAD 策略为现场氯酸盐筛查提供了一种实用且可获得的替代方案，而 IC 等传统技术仍是确证分析和法规合规所必需的。