基于智能手機(jī)的環(huán)境監(jiān)測光學(xué)傳感器研究與應(yīng)用進(jìn)展

邢云鵬 ，薛博元 ，祁佩時(shí)*，周小紅*

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084)

智能手機(jī)的蓬勃發(fā)展已經(jīng)使其成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?。截?021年6月，全球智能手機(jī)用戶約39.5億人，占全球總?cè)丝诘?0%[1]。智能手機(jī)不僅僅是簡單的通信工具，其內(nèi)部嵌入了多種小型化傳感器，例如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器(CMOS)、全球定位系統(tǒng)傳感器 (GPS)、加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、距離傳感器等，這使其具有對光電等信號的靈敏感知能力[2]。近年來，以智能手機(jī)取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室分析儀器系統(tǒng)中的信號讀取、數(shù)據(jù)分析以及信號顯示單元，結(jié)合生物化學(xué)反應(yīng)，開發(fā)可用于生化分析檢測的小型化傳感器受到了研究人員的廣泛青睞。有望大大縮短儀器開發(fā)周期，減小儀器系統(tǒng)的體積，推進(jìn)系統(tǒng)小型化，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室外的現(xiàn)場快速檢測。

特別是基于智能手機(jī)CMOS圖像傳感器的光學(xué)分析檢測技術(shù)已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。該技術(shù)可以直接利用智能手機(jī)集成各類傳感器，或者以智能手機(jī)外部附件的方式添加傳感器，成為適用于不同環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用場景的小型化智能手機(jī)光學(xué)傳感器。根據(jù)獲取光學(xué)信號來源的不同，可將智能手機(jī)光學(xué)傳感器分為3大類，包括比色檢測系統(tǒng)、熒光檢測系統(tǒng)以及化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)。從檢測對象來看，目前智能手機(jī)光學(xué)傳感器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多種類型環(huán)境污染物的單指標(biāo)和多指標(biāo)同步檢測，包括常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)、重金屬、微量有毒有機(jī)污染物等。鑒于智能手機(jī)的便攜性、高普及率以及強(qiáng)大的運(yùn)算能力，這種小型化的智能手機(jī)光學(xué)傳感器有望在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

現(xiàn)基于智能手機(jī)的環(huán)境監(jiān)測光學(xué)傳感器，概述了比色、熒光以及化學(xué)發(fā)光3種類型傳感器的傳感原理、實(shí)現(xiàn)路徑、研究現(xiàn)狀以及所面臨的挑戰(zhàn)，探討了該技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的典型應(yīng)用，以期為智能手機(jī)光學(xué)傳感器技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供借鑒和參考。

1 智能手機(jī)比色傳感器

1.1 原理

基于智能手機(jī)的比色檢測系統(tǒng)通常利用手機(jī)CMOS圖像傳感器直接拍攝樣本圖片，通過分析圖片的紅-綠-藍(lán) (RGB) 信息來實(shí)現(xiàn)檢測[3]。常用的圖片信息分析手段包括智能手機(jī)自帶的應(yīng)用程序[4]，或通過手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸功能將圖片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，利用計(jì)算機(jī)自帶或獨(dú)立開發(fā)的程序進(jìn)行分析[5]。此類平臺通常無須額外開發(fā)硬件即可完成測量。為了鎖定分析物，通常需要在待測樣本中添加顯色劑，發(fā)生顯色反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對分析物的特異性比色分析。在均相溶液中發(fā)生顯色使溶液顏色發(fā)生變化，通過CMOS圖像傳感器拍攝，進(jìn)而分析待測物濃度是智能手機(jī)比色傳感器的主要類型[6]。

1.2 應(yīng)用

Upadhyay 等[7]采用納米金(AuNPs)聚集的比色策略并結(jié)合智能手機(jī)中的顏色識別程序，分析測定了自來水和河水中Cr3+污染物，定量檢測能力可達(dá)11 μmol/L，低于歐盟以及世界衛(wèi)生組織對飲用水的限值要求。

此外，隨著紙基芯片技術(shù)的發(fā)展，將顯色試劑固定在紙上實(shí)現(xiàn)更便捷的比色分析受到了研究人員的廣泛青睞[8-9]。整個(gè)檢測過程只需將待測樣本滴在紙上或?qū)⒓埐迦氪郎y樣本中，實(shí)現(xiàn)紙的顏色變化，結(jié)合智能手機(jī)拍照和數(shù)據(jù)處理功能即可方便地獲得分析物濃度。基于紙基的智能手機(jī)光學(xué)傳感分析系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，更適合非專業(yè)人員使用和現(xiàn)場即時(shí)檢測。特別是紙基芯片通過紙基底能夠從待測樣本中截留顆粒物并防止它們沿微通道向下移動(dòng)，從而可以在一定程度上減少顆粒物對比色分析過程的影響[10]。相對于裸眼觀察，紙基芯片結(jié)合智能手機(jī)讀數(shù)可提供半定量結(jié)果，以及快速的數(shù)據(jù)通信，提高了可檢測性，并可通過調(diào)整快門時(shí)間和白平衡，進(jìn)一步提高基于智能手機(jī)設(shè)備的靈敏度。Kumar等[11]開發(fā)了一種可以快速檢測Cu2+的紙基比色傳感器。通過螺吡喃化合物與Cu2+形成絡(luò)合物的顏色變化來指示不同濃度的Cu2+，并使用智能手機(jī)監(jiān)測絡(luò)合物的顏色變化，以圖像灰度值定量分析Cu2+濃度。該比色傳感器對水體樣品中的Cu2+具有良好的特異性。其獲得的檢出限為0.6 μmol/L，雖然約為臺式分光光度計(jì)的2.6倍，但仍遠(yuǎn)低于我國飲用水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值15 μmol/L。Yang[12]采用免疫層析技術(shù)結(jié)合智能手機(jī)比色系統(tǒng)，開發(fā)了牛奶中氯霉素的快速檢測方法，對氯霉素的檢出限為6 μg/L。然而，智能手機(jī)比色傳感器直接從樣本圖像上測量像素的灰度值信息，其用于定量的劣勢在于靈敏度和精度不足[13]。此外，顏色模型的選擇決定著智能手機(jī)傳感器的定量性能，然而目前在圖像分析研究方面，對于最佳和通用的圖像處理模型流程仍未達(dá)成共識，這歸因于樣品光譜與分析信號之間的相關(guān)性有限[14]。Mahato等[15]比較了3個(gè)RGB通道對目標(biāo)物的檢出限，以確定出最佳的定量顏色通道，這凸顯了顏色模型的比較在圖像分析系統(tǒng)開發(fā)過程中的重要性。

CMOS圖像傳感器能夠感知整個(gè)可見光波長范圍的光譜，有研究通過使用濾光片或特定波長的入射光來分析特定波長區(qū)域的光譜[16]，從而降低背景信號，提升檢測信噪比，進(jìn)而提升檢測靈敏度。然而，以單色光為光源的比色分析系統(tǒng)只能對特定波長吸收峰進(jìn)行檢測，通用性不足。為克服這一不足，研究人員進(jìn)一步通過色散組件(如衍射光柵或棱鏡)將光分離為可見光范圍的單個(gè)波長，在經(jīng)過分光后的圖像焦距位置放置手機(jī)，且與手機(jī)的CMOS攝像頭對準(zhǔn)，對CMOS攝像頭采集后的透射光譜進(jìn)行圖像識別與分析，進(jìn)而反演出污染物濃度，以此實(shí)現(xiàn)在提升檢測信噪比的同時(shí)還能支持整個(gè)可見光吸收波長范圍的比色分析，有效拓展了比色分析的通用性，提高了待測物的測試種類[17]。發(fā)光二極管(LED)具有成本低、壽命長以及多種波長可選擇的優(yōu)點(diǎn)，是智能手機(jī)光譜系統(tǒng)中最常用的光源。智能手機(jī)的CMOS圖像傳感器在系統(tǒng)中作為光電探測器用于獲取圖像信號。光源和圖像傳感器之間通過光纖或透鏡將入射光引導(dǎo)或聚焦到傳感器上。為了削減環(huán)境光對測量過程的干擾，智能手機(jī)光學(xué)傳感器通常需要設(shè)計(jì)與系統(tǒng)相匹配的外置暗盒附件。此外，傳感器在使用前必須進(jìn)行校準(zhǔn)，以便將捕獲圖像的顏色信息與對應(yīng)的波長相匹配，這一校準(zhǔn)過程可以通過使用特定波長的激發(fā)光來完成[18]。

Xing等[19]開發(fā)了一套智能手機(jī)比色傳感器，見圖1(a)(b)(c)。

圖1 智能手機(jī)比色傳感器

LED白色光源通過光闌、凸透鏡整形后形成平行光，平行光透射到經(jīng)顯色反應(yīng)的比色皿，在比色皿的透射端放置柱面透鏡，在透鏡的焦距處放置分光光柵，分光后的一級衍射圖像被智能手機(jī)拍攝，進(jìn)一步利用灰度值將圖像信息轉(zhuǎn)化為吸光度，并構(gòu)建污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線。其中，圖片信息的獲取、分析和顯示均通過研究人員自主開發(fā)的一款與安卓手機(jī)兼容的手機(jī)軟件(App)完成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)400～700 nm可見光范圍的比色分析，分辨率為0.29 nm/像素。對氨氮檢出限為0.025 mg/L，濁度檢出限為2 NTU，正磷酸鹽檢出限為0.016 mg/L，氟化物檢出限為0.14 mg/L；重復(fù)測試相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均<10%，與實(shí)驗(yàn)室分光光度計(jì)測試結(jié)果的相對誤差<10%。基于該傳感器對蘇州市地表水氟化物濃度的測試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室電極法分析結(jié)果基本一致，表明該系統(tǒng)具有現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 智能手機(jī)熒光傳感器

2.1 原理

熒光法的檢測樣品被激發(fā)光源照射，樣品吸收激發(fā)光能量后躍遷到激發(fā)態(tài)，返回低能態(tài)的同時(shí)釋放出光子，發(fā)射出的熒光經(jīng)光電探測器或手機(jī)相機(jī)接收，可得到熒光發(fā)光強(qiáng)度?；谥悄苁謾C(jī)的熒光傳感器光學(xué)結(jié)構(gòu)與智能手機(jī)光譜儀相似，然而熒光信號強(qiáng)度弱，其在探測靈敏度上較光譜傳感器有明顯提升，這也是智能手機(jī)熒光傳感器開發(fā)中的重要挑戰(zhàn)。熒光傳感器的光學(xué)接收端與光源呈90°放置，用以減少激發(fā)光帶來的干擾。熒光體系只有在特定波長激發(fā)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生信號，因此熒光傳感器需要一個(gè)激發(fā)光源， LED或激光二極管均可作為激發(fā)光源，其中前者更加小型化，成本也更低。由于發(fā)射光是特定波長，因此智能手機(jī)熒光傳感器中不需使用衍射光柵等色散元件。熒光信號的測量需要在黑暗的環(huán)境中進(jìn)行，目前研究中大多使用3D打印外殼以提供暗室條件。為了減少背景干擾并提高準(zhǔn)確性，可以將濾光片集成到手機(jī)鏡頭前。

2.2 應(yīng)用

2012年，Ozcan 團(tuán)隊(duì)[20]首次開發(fā)了基于智能手機(jī)的熒光生物傳感器，用于檢測水中致病性大腸桿菌O157:H7，其結(jié)構(gòu)與外觀見圖2(a)(b)。圖2(a)為基于智能手機(jī)的量子點(diǎn)標(biāo)記夾心免疫法檢測大腸桿菌O157:H7的光學(xué)附件結(jié)構(gòu)，圖2(b)為與手機(jī)相連可拆卸的小型光學(xué)裝置照片，該裝置質(zhì)量為28 g，尺寸為3.5 cm×5.5 cm×2.4 cm。該系統(tǒng)以LED為激發(fā)光，濾光片與激發(fā)光呈90°，允許熒光波長附近帶寬的光通過，透射光經(jīng)過透鏡后被智能手機(jī)的圖像傳感器捕獲，并通過自主開發(fā)的App完成信號處理。該系統(tǒng)利用大腸桿菌O157:H7夾心抗體實(shí)現(xiàn)檢測，其中雙抗體之一固定在玻璃毛細(xì)管中，捕獲待測樣本中的大腸桿菌，此外，加入通過鏈霉親和素-生物素親和反應(yīng)修飾量子點(diǎn)的雙抗體之二，進(jìn)一步與大腸桿菌反應(yīng)，在毛細(xì)管固相界面上形成雙抗體與特異抗原的夾心產(chǎn)物，通過收集量子點(diǎn)發(fā)出的熒光實(shí)現(xiàn)大腸桿菌的定量檢測。為了避免環(huán)境光的干擾，光路系統(tǒng)被集成到一個(gè)與手機(jī)相連可拆卸的小型光學(xué)裝置中，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，成像視場為11 mm×11 mm，可同時(shí)監(jiān)測10根毛細(xì)管，并可方便地與手機(jī)相連或拆下，無須任何微調(diào)，易于操作。

圖2 智能手機(jī)熒光傳感器

Yang等[21]將由3種金屬(釔、鉺和鐿)合成的上轉(zhuǎn)換納米粒子(UCNP)合成為免疫微球并附著3種不同的真菌毒素。利用980 和 488 nm 2束激光，激發(fā)附著的免疫微球并通過手機(jī)將熒光圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。經(jīng)測定,玉米中赫曲霉毒素(OTA)、玉米赤霉烯酮(ZEN)和黃曲霉毒素B1(AFB1)的加標(biāo)回收率分別達(dá)到104%，88%和122%。Liu等[22]搭建了一套基于量子點(diǎn)CdSe/ZnS QD 的手機(jī)熒光傳感系統(tǒng)，首先對量子點(diǎn)做羧基修飾，為Hg2+提供結(jié)合位點(diǎn)，Hg2+的加入會(huì)產(chǎn)生熒光淬滅效應(yīng)。使用自主開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)?～1 000 nmol/L的Hg2+準(zhǔn)確定量，其檢出限為1 nmol/L，低于美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)規(guī)定的2 μg/L (10 nmol/L)和我國飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 μg/L (5 nmol/L)限值。對該系統(tǒng)與原子熒光光譜儀的檢測結(jié)果進(jìn)行了比較，顯示了相近的定量水平。Xiao等[23]開發(fā)了一種基于智能手機(jī)的紙基微陣列檢測平臺，可用于環(huán)境水體中多種目標(biāo)物的同時(shí)檢測。在該體系中，基于Hg2+、Cu2+和Pb2+的特性合成了3種類型的碳納米點(diǎn)。構(gòu)建了同時(shí)測定3種重金屬的熒光檢測策略，利用智能手機(jī)記錄并分析熒光圖像的RGB值，以量化水中重金屬類污染物的濃度，根據(jù)Bland-Altman一致性檢驗(yàn)分析結(jié)果，該方法與電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)的檢測結(jié)果分布在95%的區(qū)間內(nèi)，顯示了2種方法的一致性。

3 智能手機(jī)化學(xué)發(fā)光傳感器

3.1 原理

化學(xué)發(fā)光法主要利用過氧化劑氧化或催化劑催化反應(yīng)底物，形成激發(fā)態(tài)中間體，該中間體由激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)到基態(tài)時(shí)釋放出光子。根據(jù)化學(xué)能轉(zhuǎn)化機(jī)制的不同，化學(xué)發(fā)光法一般可分為直接化學(xué)發(fā)光和間接化學(xué)發(fā)光2種方法。在直接發(fā)光過程中，化學(xué)發(fā)光底物首先被氧化成激發(fā)態(tài)中間體，然后該中間體分解，以產(chǎn)生激發(fā)的發(fā)光物質(zhì)，在其衰變到基態(tài)期間發(fā)射光子，常見的化學(xué)發(fā)光底物有海螢熒光素類似物和魯米諾及其衍生物，它們可以分別被超氧陰離子自由基和過氧化氫直接氧化以觸發(fā)發(fā)光。間接化學(xué)發(fā)光由反應(yīng)物形成的激發(fā)態(tài)中間體作為能量供體，通過共振能量轉(zhuǎn)移，將能量快速轉(zhuǎn)移到熒光染料分子能量受體，使其處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)染料釋放光子返回基態(tài)。間接發(fā)光底物如1,2-二氧雜環(huán)丁烷衍生物或草酸酯廣泛用于構(gòu)建化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)?；瘜W(xué)發(fā)光對樣品池的幾何形態(tài)沒有要求且不需要激發(fā)光，因此將基于智能手機(jī)的分析設(shè)備與化學(xué)發(fā)光檢測相結(jié)合是很好的策略?；瘜W(xué)發(fā)光信號通常很弱，所以在開發(fā)智能手機(jī)化學(xué)發(fā)光分析設(shè)備時(shí)，通過暗盒來避免檢測過程受到外界環(huán)境光的影響。在不借助復(fù)雜光學(xué)與信號接收硬件單元的基礎(chǔ)上，基于智能手機(jī)的化學(xué)發(fā)光傳感器仍可以實(shí)現(xiàn)體液中微摩爾水平生物標(biāo)志物等目標(biāo)物的濃度檢測，體現(xiàn)出這類便攜式檢測平臺在即時(shí)分析領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢。

3.2 應(yīng)用

Montali等[24]設(shè)計(jì)了一種基于乙酰膽堿酶(ACHE)、膽堿氧化酶(ChOx)和辣根過氧化酶(HRP)3種酶催化的化學(xué)發(fā)光體系，利用有機(jī)磷(OP)的酶抑制效應(yīng)并搭建智能手機(jī)成像平臺用于有機(jī)磷農(nóng)藥的快速定量。智能手機(jī)化學(xué)發(fā)光傳感器結(jié)構(gòu)及外觀見圖3(a)—(f)，其中紙基傳感器支架包含2個(gè)直徑 5 mm的孔，用于添加試劑及智能手機(jī)獲取化學(xué)發(fā)光信號。該生物傳感平臺主要包括利用蠟印技術(shù)構(gòu)建的可折疊紙基反應(yīng)區(qū)和智能手機(jī)光學(xué)暗室模塊2個(gè)部分。Montali等測定了甲基毒死蜱，以驗(yàn)證智能手機(jī)平臺檢測化學(xué)發(fā)光的機(jī)制，其總分析時(shí)間為25 min，檢出限為45 μM。Sevastou等[25]基于化學(xué)發(fā)光成像來檢測牛奶中的堿性磷酸酶(ALP)，以1,2-二氧雜環(huán)丁烷磷酸鹽作為該過程中的化學(xué)發(fā)光底物，利用ImageJ軟件對智能手機(jī)獲取的化學(xué)發(fā)光圖像進(jìn)行分析，牛奶中ALP的檢出限為4.4 mU/L。

圖3 智能手機(jī)化學(xué)發(fā)光傳感器

通過與微流體裝置的聯(lián)合，智能手機(jī)化學(xué)發(fā)光傳感平臺體積可進(jìn)一步縮小。例如Lebiga等[26]開發(fā)了一種微流體化學(xué)發(fā)光檢測平臺，該裝置基于過氧化氫(H2O2)與草酸雙酯(2,4,6-三氯苯基)在紅熒烯和咪唑體系下的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，并使用定制的智能手機(jī)傳感平臺實(shí)現(xiàn)了納摩爾級H2O2的測定。然而發(fā)光反應(yīng)的強(qiáng)度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，某些反應(yīng)的強(qiáng)度在幾秒鐘后會(huì)衰減到不能被檢測的水平[27]，這在信號量化一致性中是一個(gè)潛在的挑戰(zhàn)。但是此類化學(xué)發(fā)光平臺可以與細(xì)胞計(jì)數(shù)、細(xì)胞毒性篩選等不需要精確信號量化的場景聯(lián)用，未來有望在環(huán)境介質(zhì)中痕量病原微生物的檢測中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)語

根據(jù)比色、熒光以及化學(xué)發(fā)光3類環(huán)境監(jiān)測智能手機(jī)光學(xué)傳感技術(shù)的研究進(jìn)展可知，智能手機(jī)比色傳感器基于顯色試劑與水質(zhì)指標(biāo)的特異性顯色反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)，如濁度、氨氮、正磷酸鹽等，以及重金屬離子的高靈敏檢測；而熒光和化學(xué)發(fā)光類智能手機(jī)光學(xué)傳感技術(shù)更多與抗體、酶等生物識別材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對有機(jī)物的快速檢測。上述基于智能手機(jī)的光學(xué)檢測系統(tǒng)均具有便攜、經(jīng)濟(jì)和易于操作的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)初步展示了其在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的前景。目前對智能手機(jī)傳感設(shè)備的研究主要集中在檢測系統(tǒng)的靈敏度上，而對于校準(zhǔn)范圍、穩(wěn)定性和可重復(fù)性的系統(tǒng)評估還不夠系統(tǒng)。雖然已有的智能手機(jī)光學(xué)傳感器多數(shù)仍處于概念驗(yàn)證階段，但隨著相關(guān)研究的不斷深入，如進(jìn)一步解決不同型號手機(jī)信號變化的影響[28]，核心元件CMOS的波長感應(yīng)范圍拓展到紅外波段，以實(shí)現(xiàn)大氣顆粒物的監(jiān)測，或拓展到紫外區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)硝酸鹽氮、溶解性有機(jī)物等指標(biāo)的測定，該技術(shù)距離商業(yè)化會(huì)越來越近，其應(yīng)用前景也將會(huì)更加廣闊。