Bước đột phá di động trong giám sát môi trường nước: Cảm biến đa kênh so màu mới lạ sử dụng điện thoại di động

Bước đột phá di động trong giám sát môi trường nước: Cảm biến đa kênh so màu mới lạ sử dụng điện thoại di động

    Bước đột phá di động trong giám sát môi trường nước: Cảm biến đa kênh so màu mới lạ sử dụng điện thoại di động
    by Higher Education Press

    A mobile breakthrough for water environment monitoring: a novel colorimetric multi-channel sensor on cell phone platform
    Đồ họa: Biên giới của Khoa học & Kỹ thuật Môi trường (2022). DOI: 10.1007/s11783-022-1590-z


    Các công nghệ phân tích đo màu đáng tin cậy đã được ca ngợi rộng rãi nhờ phản ứng có độ nhạy cao và chọn lọc đối với các chất gây ô nhiễm khác nhau trong giám sát môi trường. Về nguyên tắc, tác nhân tạo màu phản ứng có chọn lọc với mục tiêu trong mẫu nước và sản phẩm có màu phản ánh phổ hấp thụ cụ thể.

    Tuân theo định luật Lambert-Beer, độ hấp thụ tỷ lệ thuận với nồng độ của các chất hấp thụ, tạo cơ sở cho việc phát hiện định tính và định lượng các chất gây ô nhiễm trong các mẫu nước. Việc quan sát bằng mắt thường có ưu điểm là chi phí thấp nhưng độ chính xác không đạt yêu cầu. Máy dò quang điện tử thông thường, chẳng hạn như máy đo quang phổ và đầu đọc vi bản, đắt tiền và do đó khó áp dụng trong các môi trường từ xa hoặc hạn chế về tài nguyên.

    Kịch bản ứng dụng của các công nghệ phân tích đo màu đã dẫn đến sự quan tâm sâu sắc đến sự cân bằng giữa độ chính xác và chi phí. Xem xét cả độ chính xác và chi phí, việc phát triển các công nghệ phân tích đo màu trên nền tảng điện thoại di động thương mại đang thu hút sự chú ý đáng kể trong giám sát môi trường vì chi phí thấp, tính linh hoạt cao, dễ thu nhỏ và sử dụng rộng rãi điện thoại di động.

    Đáng chú ý, những ưu điểm nổi bật của công nghệ đo màu dựa trên điện thoại di động được kỳ vọng sẽ tăng tốc đáng kể khả năng phân tích liên quan đến môi trường và sức khỏe ở các quốc gia và khu vực xa xôi hoặc kém phát triển. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu được báo cáo tập trung vào phát hiện so màu một kênh, dẫn đến hiệu quả phát hiện hạn chế, đặc biệt là đối mặt với các chất gây ô nhiễm phức tạp trong các mẫu nước.

    Nghiên cứu về các hệ thống cảm biến đa kênh dựa trên điện thoại di động ngày càng được quan tâm vì các hệ thống này có khả năng phát hiện đồng thời nhiều mục tiêu trong một lần đo và các kỹ thuật liên quan để đánh giá nhanh các mẫu nước rất nhanh, mạnh và không tốn kém.

    Để nhận ra khả năng cảm biến đa kênh, con đường công nghệ chủ đạo là chụp trực tiếp các hình ảnh đo màu từ các tấm 96 giếng bằng camera của điện thoại di động. Trong mọi trường hợp, phần lớn các chiến lược để cải thiện khả năng cảm biến của hệ thống dựa trên điện thoại di động đều dựa trên nguồn sáng đơn sắc, thiếu tính phổ quát và tính linh hoạt đối với các chất gây ô nhiễm khác nhau cho thấy các đỉnh hấp thụ khác nhau.

    Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân, Đại học Thanh Hoa và Đại học Trùng Khánh đã đề xuất một cảm biến đa kênh đo màu dựa trên điện thoại di động để theo dõi môi trường nước. Một dãy đèn LED trắng được sử dụng làm ánh sáng tới để chiếu sáng một đĩa 96 giếng. Để cải thiện độ nhạy của cảm biến, một hệ thống đường dẫn quang tinh vi đã được tạo ra bằng cách sử dụng cách tử nhiễu xạ để tách sáu chùm tia trắng truyền qua nhiều mẫu màu.

    Ánh sáng truyền qua từ sáu giếng được sáu sợi quang thu thập và được camera của điện thoại di động chụp ảnh sau khi đi qua cách tử nhiễu xạ, cho phép camera CMOS của điện thoại di động thu được ánh sáng nhiễu xạ để phân tích hình ảnh. Hình ảnh được chụp bởi một ứng dụng điện thoại di động được thiết kế tùy chỉnh để phân tích bằng thuật toán cụ thể, mang lại kết quả phát hiện được hiển thị bằng cùng một ứng dụng.

    Nghiên cứu này có tựa đề "Cảm biến đa kênh so màu dựa trên điện thoại di động để theo dõi môi trường nước" đã được xuất bản trong Frontiers of Environmental Science & Engineering.

    Cảm biến nhỏ gọn đã được thử nghiệm thành công để phát hiện đồng thời nhiều chất gây ô nhiễm môi trường khác nhau với dải bước sóng hấp thụ từ 400–700 nm, đạt được độ nhạy, độ đặc hiệu và độ tin cậy cao. Bằng cách giới thiệu cách tử nhiễu xạ để phân tách ánh sáng, độ nhạy đã được cải thiện hơn sáu lần so với một hệ thống chụp ảnh trực tiếp ánh sáng truyền qua.

    Là một bằng chứng thành công về khái niệm, cảm biến được sử dụng để phát hiện đồng thời độ đục, orthophotphat, nitơ amoniac và ba kim loại nặng với độ nhạy cao. Ngoài ra, độ ổn định cao (RSD là 0,37%–1,60%) và khả năng phục hồi tuyệt vời (95,5%–106,0%) đã chứng minh rằng cảm biến có thể tiến hành phát hiện chính xác trong ma trận nước thực.

    Nhờ những ưu điểm về hiệu suất phát hiện vượt trội, chi phí thấp, vận hành dễ dàng, tính di động tốt và phép đo đa chỉ số, cảm biến thu nhỏ đã thể hiện khả năng cảm biến tại hiện trường trong giám sát môi trường, có thể mở rộng sang chẩn đoán tại điểm chăm sóc, thực phẩm kiểm soát an toàn và cảnh báo sớm rủi ro, v.v.

    Đáng chú ý, bằng cách đưa vào các vật liệu nhận dạng sinh học, chẳng hạn như enzyme, kháng thể và axit nucleic chức năng, cảm biến có tiềm năng trở nên thông minh hơn để nhận ra việc phát hiện các chất hữu cơ dạng vết. Hơn nữa, có thể dự kiến rằng công nghệ sẽ cho phép các kênh phát hiện lên tới 96 trên tiền đề khắc phục giới hạn về âm lượng hoặc số lượng của cách tử nhiễu xạ.

    Zalo
    Hotline