近日，金沙威尼斯官网马剑教授课题组在便携分析仪器研发领域取得系列进展，建立了基于智能手机的便携式水环境分析仪（versatile smartphone-based environmental analyzer, vSEA）并将其应用于水中营养盐的现场检测。相关成果相继发表在Science of The Total Environment、Microchemical Journal 等国际期刊上。vSEA基于普通的智能手机检测，易于推广，可为公民科学家提供快速、准确、简便的检测方法。

研究背景

自然水体的水质检测与分析是开展科学研究的基础。现有研究大多在采样后将样品带回实验室进行检测分析，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，在现场实现快速准确的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。

研究结果

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。此外，还探讨了该算法用于不同目标物定量的可行性。

根据所研发的新算法，我们建立了基于智能手机的便携式水环境分析仪，即vSEA，通过优化传感器装置结构，标准化测定过程，开发与传感器适配的应用程序，提高了智能手机检测的可靠性和通用性。我们对vSEA的可靠性、通用性和分析性能进行了综合优化，其具有良好的线性度（R² ≥ 0.9954）和精密度（相对标准偏差< 5.3%）。

有研究表明不同手机性能之间存在巨大差异。本研究探究了不同手机、不同操作人员对测定结果的影响，结果显示不同手机的灵敏度虽然不同，但得到的工作曲线均有良好的线性度，因此认为vSEA对智能手机无严格要求，只需要保证定标和测定过程使用同一手机即可；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性差异，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、易于操作的平台，实现了对环境水样的现场分析。通过使用微信小程序等方式，既可以满足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。

图1. vSEA系统测定流程图

图2. vSEA算法定量原理图

图3. 不同操作人员对测定的影响

图4. vSEA系统与分光光度法比对

研究团队

金沙威尼斯官网博士生李杭茜、方腾越，硕士生郑书露分别为系列论文的第一作者，马剑教授为论文的通讯作者。袁东星教授、林坤德教授、谭巧国教授为本研究提供指导，硕士生薄光永也参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金、福建省杰出青年基金、福建省海洋经济发展专项基金、金沙威尼斯欢乐娱人城MEL优秀博士奖学金的支持。

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.

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.

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.

文、图 | 李杭茜、郑书露

责任编辑 | 马剑