一种用于生活用水中铝(III)和铁(III)定量检测的新型微流控纸基传感器

《Microchemical Journal》：A novel microfluidic paper-based sensor for the quantification of Al(III) and Fe(III) in water used for domestic consumption

　　

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  井水样品中双参数 Al(III) 和 Fe(III) 的准确定量分析。
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  直接加载样品——无需进行样品前处理。
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  手持式、便携式、一次性卡片，适用于现场分析。
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  所开发的装置通过参考方法对比验证了准确性。

引言

保障生活饮用水源的安全对公共卫生至关重要，特别是在半城市和农村地区，这些地区普遍使用井水作为家庭用水 [1], [2], [3], [4]。在各种潜在污染物中，铝是一个主要关注点。尽管铝是天然存在的，但长期暴露于高浓度铝与阿尔茨海默病和帕金森病等神经系统疾病 [5], [6] 以及乳腺癌 [7] 有关。根据美国环保署（U.S. EPA）的标准，饮用水中铝的可接受浓度范围为 0.05 至 0.2 mg/L [8]。在 Al(III) 的分析测定中，一个长期存在的挑战是 Fe(III) 的存在，因为二者对许多显色试剂具有相似的亲和力 [9]。用于监测这些金属离子的传统实验室技术，即原子光谱法，具有较高的分析性能，表现出高灵敏度和优异的选择性 [10]。然而，这些技术需要专门的设备、训练有素的人员以及高昂的维护成本。这些局限性使其不太适合资源有限环境中的常规监测。微流控纸基分析装置（μPADs）已成为一种低成本、更环保的替代方案，为快速现场分析提供了简单、经济、便携的工具 [11], [12], [13]，使其成为持续、广泛监测水质的理想选择 [14], [15], [16], [17]。

在本研究中，我们旨在开发一种用于井水中铝的比色定量的 μPAD，并探索铁(III) 的预期同时反应，以设计一种双参数装置。所选试剂铬天青 S 与 Al(III) 和 Fe(III) 均发生反应，其中铝的单独测定是通过使用抗坏血酸将 Fe(III) 还原为 Fe(II) 来掩蔽铁而实现的。该方法不仅通过克服铁的干扰确保了铝测定的准确性，还实现了两种金属离子的定量分析，从而在一个用户友好的装置中提供了更全面的水质评估。所采用的制造工艺代表了蜡打印的一种可持续替代方案，因为纸质读取单元是通过堆叠预先切割的纸片获得的。

章节片段

试剂与溶液

所有溶液均使用分析级化学品和 Milli-Q 水（电阻率 ≥18 MΩ cm，Millipore，贝德福德，马萨诸塞州，美国）配制。

通过稀释市售原子吸收标准溶液（1000 mg/L，铝标准溶液用于原子吸收光谱，Fluka，瑞士）制备浓度为 370 μmol/L（10.0 mg/L）的铝储备液。由该储备液在 0.01 M 硝酸中制备浓度为 4.5–37 μmol/L（0.120–1.00 mg/L）的工作标准溶液。

通过稀释市售原子吸收标准溶液（1000 mg/L，铁标准溶液用于原子吸收光谱，Fluka，瑞士）制备浓度为 358 μmol/L（20.0 mg/L）的铁储备液。

初步研究

由于铝的定量分析是主要目标，测试了两种显色试剂——铬天青 S（CAS）和铬花青 R（ECR）用于铝的比色反应 [18]。每种反应均通过批量方式评估，将 1 mL 的 Al(III) 标准溶液、1 mL 的醋酸盐缓冲溶液和 1 mL 的相应显色试剂（0.40 g/L CAS 和 0.15 g/L ECR）混合。在不同 pH 值下测试了不同的反应，通过改变缓冲溶液的 pH 来调节。

结论

在本研究中，成功开发了一种用于同时测定水样中 Al(III) 和 Fe(III) 的双参数纸基分析装置（μPAD）。该装置的核心创新在于其双区域配置：一个区域通过使用抗坏血酸掩蔽 Fe(III) 干扰来实现 Al(III) 的单独定量，而第二个区域则测定目标金属的总浓度。这种策略性设计使得 Fe(III) 的间接测定成为可能。

CRediT 作者贡献声明

Juliana I.S. Aguiar：撰写初稿、可视化、验证、方法学、调查、形式分析。 António O.S.S. Rangel：撰写审阅与编辑、监督、资源、资金获取。 Raquel B.R. Mesquita：撰写审阅与编辑、监督、项目管理、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

J. I. S. Aguiar 感谢 FCT - 葡萄牙科学技术基金会 提供的资助 2023.00790.BD，DOI 标识符：doi:10.54499/2023.00790.BD。R.B.R. Mesquita 感谢 FCT 提供的 2022.00962.CEECIND 资助（doi:10.54499/2022.00962.CEECIND/CP1745/CT0006）。本工作还得到了 AquaSmart 项目（2022.08713.PTDC，doi:10.54499/2022.08713.PTDC）以及 PHSense 项目（COMPETE2030FEDER-00824900，op. 16961）提供的国家资金支持，该项目由主题计划内的 FEDER 基金资助。

Juliana I.S. Aguiar|António O.S.S. Rangel|Raquel B.R. Mesquita