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科研动态

基于智能手机的便携式水环境分析系统

2022/08/01点击次数:

近日,厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室、环境与生态学院马剑教授课题组在便携分析仪器研发领域取得系列进展,开发了基于智能手机的便携式水环境分析仪(versatile smartphone-based environmental analyzer, vSEA)并将其应用于环境水体中营养盐的现场检测。相关成果相继发表在Science of The Total EnvironmentMicrochemical Journal 等国际期刊。vSEA基于普通的智能手机实现现场检测,操作简便且易于推广,可为公民科学家提供快速、准确的检测装置。

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自然水体的水质检测与分析是开展相关科学研究的基础。现有研究大多是通过现场采样后进行实验室检测分析,然而在运输和贮藏过程中,环境水体中的目标参数可能会发生变化,从而影响测定结果的准确性。因此,实现快速准确的现场检测是环境分析的理想选择。

随着数字通讯技术的发展,智能手机因兼具集成各种传感器、操作简单、便携易用、通讯功能强大等优点,成为搭载便携式现场分析设备的良好载体。但现有基于智能手机的分析检测仍存在算法模型复杂、未标准化,缺乏对不同手机造成的偏差的理解与校准,现场应用较少等诸多局限性。

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本研究提出了一种基于智能手机的通用型比色检测算法,并建立了一个模型,模拟分析了从相机光谱信息到RGB(Red, Green, Blue)颜色信息的转换过程,同时探讨了该算法应用于不同目标物定量分析的可行性。

以此算法为基础,研究团队开发了基于智能手机的便携式水环境分析仪,即vSEA,通过改良传感器装置结构、标准化测定过程、开发与传感器适配的应用程序等方面对vSEA进行综合优化,使其具有良好的线性度(R2≥0.9954)和精密度(相对标准偏差<5.3%),提高了其现场检测的可靠性、通用性和可分析性。

本研究还探究了手机和操作人员间的差异对测定结果准确性的影响情况,结果显示在不同灵敏度的手机操作下,其工作曲线均有良好的线性度,由此认为vSEA对智能手机兼容性较强,仅需保证定标和测定过程使用同一部手机即可;不同操作人员使用同一手机进行检测其测定结果也无显著差异。将vSEA用于环境水体中五种营养盐(氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐)的现场分析,测定结果与标准的分光光度法无显著差异,且vSEA操作简单、对使用人员的专业性要求低,可将其推广至公民科学的应用中。

综上,本研究构建的vSEA提供了快速、便携且易于操作的平台,通过微信小程序等方式,即可实现对环境水样的现场分析,既满足了科研人员现场准确快速检测的需求,又可用于支持公民科学家监测关键水质参数和共享环境数据,形成具有一定污染普查价值的数据库,为大区域环境污染的研究提供支持。

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图1. vSEA系统测定流程图

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图2. vSEA算法定量原理图

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图3. 不同操作人员对测定的影响

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图4. vSEA系统与分光光度法比对


论文来源

Fang T., Li H., Bo G., Lin K., Yuan D., Ma J. (2021). On-site detection of nitrate plus nitrite in natural water samples using smartphone-based detection. Microchemical Journal 165: 106117.

https://doi.org/10.1016/j.microc.2021.106117

Zheng S., Li H., Fang T., Bo G., Yuan D., Ma J. (2022). Towards citizen science. On-site detection of nitrite and ammonium using a smartphone and social media software.Science of The Total Environment 815: 152613.

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152613

Li H., Fang T., Tan Q-G., Ma J. (2022). Development of a versatile smartphone-based environmental analyzer (vSEA) and its application for on-site nutrient detection. Science of The Total Environment 838: 156197.

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.156197


供稿:李杭茜、郑书露