Literature Review: Open Source Water Testing Device/zh

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水质检测能力对社区和实验室至关重要。然而，水质检测费用昂贵，许多人难以负担。本文旨在通过文献综述，收集开发开源水质检测仪所需的信息。

需要检测的最重要的污染物有：氯、病原体、铅。

M. Denchak，“水污染：你需要知道的一切”，NRDC，2018年5月14日。[在线]。网址：https://www.nrdc.org/stories/water-pollution-everything-you-need-know

水污染的类型：

• 地下水
  • 受到杀虫剂、化肥和废物的污染
  • 对某些地区而言，这是唯一的淡水来源。
• 地表水
  • 营养物污染：硝酸盐、磷酸盐
  • 市政/工业废水排放：毒素
• 海水
  • 化学物质、营养物质和重金属
  • 石油泄漏
• 点源
  • 当污染源自单一来源时
  • 制造商、炼油厂、废水处理厂排放的废水
  • 化粪池系统污染、化学品/石油泄漏
  • 虽然源自单一源头，但会影响数英里外的水道。
• 非点源
  • 污染源自多个方面
  • 农业/雨水径流、垃圾
  • 造成水污染的主要原因
  • 难以监管（没有单一来源）
• 跨界
  • 一个国家的受污染水流入另一个国家的水域。

最常见的水污染类型

• 农业
  • 淡水最大消费者
  • 导致水质恶化的主要原因
  • 雨水会将化肥、杀虫剂和动物粪便中的营养物质和病原体冲入水中。
  • 营养污染：过量的氮和磷；会导致藻类大量繁殖（有毒），对人类和野生动物有害。
• 污水和废水
  • 金属、溶剂、有毒污泥
  • 雨水径流：雨水会将道路盐分、油污、油脂、化学物质和碎屑带入水中。
  • 全球80%的废水未经处理就直接排放到环境中。
• 石油污染
  • 每年有100万吨石油污染海洋环境
    • 50%来自土地资源（农场/城市）
    • 10%来自海上油轮泄漏事故
    • 30%来自航运业的常规运营。
• 放射性物质
  • 放射性废物：任何辐射量超过环境自然释放辐射量的污染物。
  • 由铀矿开采、核电站、军事武器生产/测试和医学研究产生
  • 可以在环境中存留数千年

NH Omer，“水质参数”，《水质——科学、评估与政策》，2019年10月，doi: 10.5772/intechopen.89657。[在线]。网址：https://www.intechopen.com/online-first/water-quality-parameters

摘要：自十八世纪末工业革命以来，世界各地几乎每天都会发现新的污染源。因此，空气和水污染的可能性无处不在。然而，人们对污染率的变化知之甚少。与水相关的疾病的增加，是对环境污染程度的真实反映。本章从生态学的角度总结了水质参数，不仅针对人类，也针对其他生物。根据水质，水可以分为四种类型。本章通过对这四种水质类型的重要共同属性（包括物理、化学和生物参数）的全面回顾，对这些水质参数进行了讨论。此外，本章还从定义、来源、影响、效应和测量方法等方面对这些水质参数进行了阐述。

水的分类

• 饮用水：可安全饮用，可用于家庭用途
• 适饮水：饮用安全，口感宜人，且所含化学物质不会对人体健康构成威胁
• 受污染水：指含有有害的物理、化学、生物或放射性物质的水。不适宜饮用或生活使用。
• 受污染的水：被致病微生物污染的水
• 注：家庭用途指洗澡、洗衣服、清洁等。

水质物理参数

• 浊度
  • 定义为水的浑浊度
  • 衡量光线穿过水的能力
  • 由粘土、碎屑和有机物等颗粒物引起
  • 悬浮物可以保护微生物免受消毒作用的影响。
  • 悬浮物可以吸收重金属和有机污染物
  • 浊度升高会提高水温（悬浮颗粒吸收更多热量），从而降低溶解氧（水生生物的食物）的浓度。
  • 使用浊度计测量，单位为 NTU（相当于 1 mg/L 悬浮二氧化硅）。
• 温度
  • 温度会影响适口性、粘度、溶解度、气味和化学反应。
  • 影响溶解重金属的生物吸附过程
  • 水的最佳饮用温度为 10-15°C
• 颜色
  • 有机物（主要是植物）和无机物（土壤、岩石）腐烂的物质会使水变色。
  • 仅仅是出于美观原因，而不是出于健康原因。
  • 颜色是通过将样品与标准溶液进行比较来测量的。
  • 表观颜色：考虑整个水样，包括溶解性和悬浮性物质。
  • 真色：指过滤去除所有悬浮物后的水的颜色。
  • 色彩等级从 0（透明）到 70 个颜色单位。
• 味觉和嗅觉
  • 由有机和无机材料引起
  • 可能来源于自然界、城市或农业资源
  • 数值的测定方法为：取一定体积的样品 A，用样品 B 和无味蒸馏水稀释，直至所得混合物的总体积为 200 毫升时，气味刚好可以闻到。
  • 用阈值数值表示：
    • TON 或 TTN = (A + B)/A
• 固体
  • 可以以溶液或悬浮液的形式存在。
  • 可通过使用玻璃纤维过滤器进行识别。
  • 悬浮固体被截留在过滤器顶部，溶解固体则穿过过滤器。
  • 如果将过滤后的水倒入容器中，然后蒸发，溶解的固体将以残渣的形式留下。
  • 总固体（TS）= 总溶解固体（TDS）+ 总悬浮固体（TSS）
  • 淡水：总溶解固体含量 (TDS) < 1500 mg/L
  • 盐水：总溶解固体含量 >5000 mg/L
• 导电性
  • 衡量溶液承载或传导电流能力的指标
  • 溶液中离子浓度越高，电导率越大。
  • 用于确定水质是否适合灌溉和消防的主要参数
  • 饮用水：0.005 - 0.05 S/m
  • 海水：5 S/m

水质化学参数

• pH
  • 表示酸性或碱性溶液的强度
  • 饮用水的安全pH值范围为6.5至8.5。
  • 注意： pH 值是对数标度，因此 pH 值每变化 1，酸度就变化 10 倍。
  • 高pH值会使味道发苦，并降低氯消毒的有效性。
  • 低pH值的水会腐蚀或溶解金属。
  • 污染会改变pH值
  • pH值低于4或高于10都会杀死大多数鱼类。
  • 重金属更容易溶解在强酸性水中。
    • 将重金属溶解于水中会使其毒性增强。
  • pH值的变化会改变某些化学物质的形态。
    • 例如：碱性水中的氨毒性增强。
• 氯化物
  • 天然存在于地下水、溪流和湖泊中
  • 淡水中氯化物浓度过高可能表明存在废水污染。
  • 饮用水中的氯离子（Cl⁻ ^{）不会对健康造成有害影响，但会使水尝起来有咸味。}
  • 氯化钠（NaCl）与钠（Na）类似，可导致肾脏和心脏疾病。
  • 氯化钠浓度为 250 毫克/升时会产生咸味。
  • MgCl₂和CaCl₂在浓度为1000毫克/升时会产生咸味。
  • 饮用水标准是氯化物含量不超过 250 毫克/升。
  • 可通过硝酸银滴定法测定
• 余氯
  • 氯气（Cl₂ _）天然不存在于水中，但会为了消毒而添加。
  • 气体中有毒，但在稀水溶液中无害。
  • 残留浓度可确保水质良好，符合卫生标准。
  • 氯气能与水中的有机物反应生成有毒化合物三卤甲烷（THMs）。
    • 例如：氯仿（CHCl₃ _），它是一种致癌物。
  • 使用比色测试盒或分光光度计测量
• 硫酸盐
  • 硫酸根离子（SO₄²⁻ ^）_存在于水中
  • 高浓度通常是由于天然硫酸钠（芒硝）或硫酸镁（泻盐）矿藏的淋滤造成的。
  • 饮用水中高浓度的污染物可能导致口感不佳或有通便作用，但不会对健康造成显著风险。
• 氮
  • 水中氮以四种形式存在：有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。
  • 如果水体被污水污染，大部分氮会以有机氮和氨的形式存在。
    • 可被微生物转化为硝酸盐和亚硝酸盐
  • 硝酸盐是植物生长必需的基本营养元素。
  • 地表水中高浓度的硝酸盐会导致藻类过度繁殖，从而降低水质。
  • 硝酸盐会通过化肥进入地下水。
  • 饮用水中硝酸盐浓度过高（>10 mg/L）会对婴儿造成直接且严重的健康风险。
    • 硝酸根离子与血红蛋白反应，降低血液携氧能力。
• 氟化物
  • 饮用水中适量的氟离子（F⁻ ^）有益于牙齿健康。
  • 过量摄入会导致牙齿氟斑症。
  • 最大允许浓度取决于当地气候
  • 在较温暖的地区，最高浓度为 1.4 毫克/升；在较寒冷的地区，最高浓度为 2.4 毫克/升。
  • 测定水中氟离子浓度有四种方法，具体方法取决于水样类型。
• 铁和锰
  • 铁和锰不会引起健康问题，但即使浓度很低也会导致味觉苦涩。
  • 通常以亚铁离子（Fe2 ⁺）和锰离子（Mn2 ⁺）的形式存在于地下水中。
  • 当暴露于空气中时，它们会形成不溶性的三价铁离子（Fe³⁺ ^）和三价锰离子（Mn³⁺ ^），使水体浑浊。
  • 可能会在衣物上留下黑色或棕色污渍。
  • 可通过原子吸收光谱法、火焰原子吸收光谱法、冷原子吸收光谱法、电热原子吸收光谱法和电感耦合等离子体发射光谱法进行测量。
• 铜和锌
  • 铜和锌在低浓度下无毒。
  • 对人类健康和动植物生长至关重要且有益
  • 可能导致饮用水味道变差。
  • 高浓度的锌会使水看起来浑浊。
  • 可以用与铁和镁相同的方法进行测量。
• 硬度
  • 用于描述高矿化度水的特性
  • 溶解的矿物质会形成水垢沉积，使肥皂难以起泡。
  • 钙离子（Ca²⁺ ^）和镁离子（Mg²⁺ ^）是天然水中硬度的主要来源。
    • 可通过与线圈和岩石（特别是石灰岩矿床）接触而进入。
  • 这些离子以碳酸氢根、硫酸根的形式存在，有时也以氯化物和硝酸根的形式存在。
  • 地下水通常比地表水更硬。
  • 暂时硬度：由碳酸盐和碳酸氢盐引起，可通过煮沸去除。
  • 永久硬度：由煮沸后残留的硫酸盐和氯化物引起。
  • 硬度大于 300 mg/L 的水被认为是硬水。
  • 硬度低于 75 mg/L 的水被认为是软水。
  • 硬度低于 500 mg/L 的水是安全的，但超过此值则可能导致腹泻。
  • 可通过乙二胺四乙酸 (EDTA) 和铬黑蓝指示剂滴定法检测。
  • 以 CaCO₃ _mg /L表示
• 溶解氧
  • 化学需氧量（COD）是衡量所有有机物（包括可生物降解和不可生物降解有机物）的参数。
  • 它是化学氧化水中的有机物和无机营养物质（氨、硝酸盐）所需的氧气量。
  • 使用强氧化剂（铬酸钾）、硫酸和热进行化学测试
  • 化学需氧量（COD）值总是高于生物需氧量（BOD）值。
• 有毒无机物质
  • 即使是微量，这些物质也可能对人体健康构成威胁。
  • 有些危险废物来源于自然，有些则来源于工业活动或危险废物管理不当。
  • 金属化合物：包括一些有毒的重金属，具有广泛的危险性。砷（As）和六价铬（Cr^⁶⁺）是急性致命毒物，而镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）和铊（Tl）会导致慢性疾病。金属化合物可通过原子吸收光度计、分光光度计或电感耦合等离子体发射光谱仪进行测定。
  • 非金属化合物：包括硝酸盐和氰化物。氰化物会阻止血红蛋白携带氧气，从而导致缺氧。氰化物还会影响中枢神经系统和甲状腺。可通过比色法、滴定法或电位法测定。
• 有毒有机物质
  • 人为污染物，例如杀虫剂、农药、溶剂、洗涤剂和消毒剂
  • 采用气相色谱法、高效液相色谱法和质谱法进行测定
• 放射性物质
  • 来源包括核电站、工业和铀矿开采产生的废物。
  • 放射性物质会释放β射线、α射线和γ射线。
  • 暴露于此会对活体组织造成遗传和体细胞损伤。
  • 氡气是一种严重的健康隐患，因为它天然存在于地下水中，而且极易挥发。

水质生物学参数

• 细菌
  • 被认为是单细胞植物
  • 以三种形态存在：杆菌、球菌和螺旋菌。
  • 在食物供应、温度和pH值等适宜条件下，细菌一天内每平方毫米可繁殖至2000万个细胞。
  • 许多危险的水传播疾病是由细菌引起的。
• 藻类
  • 它们通过将无机物转化为有机物来维持自身生存。
  • 由于味道和气味，水中的有害生物
  • 某些藻类非常危险。
    • 蓝藻会杀死牛和家畜。
• 病毒
  • 能够繁殖的最小生物结构
  • 需要宿主才能生存的寄生虫
  • 它们可以通过不允许细菌通过的过滤器。
  • 水传播的病毒病原体可引起传染性肝炎
  • 大多数水传播病毒可以通过消毒灭活。
• 原生动物
  • 单细胞微型动物
  • 它们能形成难以通过消毒灭活的囊肿。
• 指示生物
  • 一类称为大肠菌群的细菌存在于人体肠道系统中，并随人体排泄物排出体外。
  • 近期被污水污染的废物中总是含有大肠菌群。
  • 最常见/最广为人知的大肠菌群是大肠杆菌。
  • 具有很强的攻击性，并且在水中存活时间比大多数病原体更长。
  • 检测大肠菌群的两种方法：膜过滤法和多管发酵法

PMV Raja 和 AR Barron，“1.4：原子吸收光谱学导论”，Chemistry LibreTexts，2016 年 7 月 13 日。[在线]。网址：https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Analytical_Chemistry/Physical_Methods_in_Chemistry_and_Nano_Science_(Barron)/01%3A_Elemental_Analysis/1.04%3A_Introduction_to_Atomic_Absorption_Spectroscopy

理论：

• 原子吸收光谱法（AAS）测量原子吸收光谱中吸收的光的强度。
• 将该百分比与校准曲线进行比较，以确定样品中物质的含量。

环境与海洋分析

• 可以进行非常精确测量的分析，包括铅、铜、镍和汞。

仪器仪表

• 喷雾器
  • 产生大量均一的自由原子
  • 常用的两种类型是：火焰法和电热法。
  • 火焰雾化器：
    • 简单且成本低廉
    • 将来自雾化器的气溶胶导入火焰中，火焰可使样品挥发并雾化。
    • 样品经干燥、汽化、雾化和电离处理。
    • 火焰化学成分的子类别
  • 电热雾化器
    • 石墨管会提高温度
    • 将样品干燥，并蒸发溶剂和杂质。
    • 将样品雾化，然后升高温度以清洗石墨管。
    • 比火焰雾化更温和
    • 需要恒温、快速雾化、大溶液体积和最小辐射发射。
• 辐射源
  • 照射原子化样品
  • 样品吸收一部分辐射，其余部分则穿过分光光度计到达检测器。
  • 两类：线源和连续源
  • 线路来源：
    • 激发分析物
    • 发射自身的光谱线
    • 例如：空心阴极灯和电极放电灯
  • 连续谱源：
    • 辐射速度在很宽的波长范围内
    • 通常用于背景校正
    • 例如：氘灯和卤素灯
• 光谱仪
  • 在光到达探测器之前，将其不同波长的光分离。
  • 可以是单光束或双光束
  • 单光束：
    • 只需要能够直接穿过样品的辐射即可。
    • 更少的光学元件
    • 减少辐射损失
  • 双梁：
    • 需要两束光
    • 一个能穿过样品，一个则完全不能穿过样品。
    • 随着时间的推移，稳定性会越来越好
    • 能够更快地适应变化

获取测量数据

• 全氟烷氧基聚合物（PFA）、二氧化硅和玻碳常用于储存样品，因为它们不会吸收任何痕量元素。
• 用盐酸或硝酸酸化溶液有助于防止离子粘附在壁上。
• 容器应尽可能缩小表面积，以最大程度地减少可能的吸附位点。

校准曲线

• 利用标准溶液，可以绘制浓度与吸光度的关系图。
• 标准校准技术：
  • 样品的浓度是通过将其吸光度与标准品浓度-吸光度曲线进行比较来确定的。
  • 标准样品和样品在雾化时必须具有相同的行为。
  • 测量吸光度时的误差必须小于样品制备过程中的误差。
  • 样品必须是均质的。
  • 通常使用 5 个点绘制线性曲线
• 包围盒技术
  • 标准方法的变体
  • 浓度分别为c1和c2_的两个标准溶液的浓度值涵盖了样品浓度的范围_。
  • 可以使用以下公式计算样品浓度，其中 A 为吸光度。

  • 

  • 当样品中待测物的浓度超出校准曲线的线性范围时，此方法非常有用。
• 分析物添加技术
  • 当样品特性预计会产生许多干扰且成分未知时，可使用此方法。
  • 该方法并非使用与样品具有相似基质的标准品，而是直接使用样品本身的一部分。
  • 只能在吸光度的线性范围内使用。

分析

• 数据精度达到10%或更高
• 第一组测试结果与认证值的误差在±5%以内。
• 第 2 组和第 3 组的结果均在认证值的 ±10% 以内。
• 常见问题是元素浓度低于或等于检测限，因此无法进行分析。
  • S 和 K 的检测限较差，但它们的含量通常很高，所以问题不大。
  • 镓、铂和铋在水中的含量极低，无法检测。

VT Kogan等人，“用于测定海水中重金属的移动质谱仪：数值模拟和实验验证”，《技术物理》，第 52 卷，第 12 期，第 1604-1610 页，2007 年 12 月，doi：10.1134/s1063784207120134。

摘要：本文提出了一种用于直接检测水中痕量重金属的移动式质谱仪原型。该仪器可自动定量地将液体样品（2.5–20.0 μl）注入仪器的真空室，提取含有目标组分的盐类，并将其导入仪器的高真空室，然后利用配备有自主研发的电子轰击离子源的便携式磁性质谱仪测定初始样品中各组分的浓度。使用含有锌、铁、铜、砷和镉的水溶液进行的实验测试表明，该仪器能够检测水中（包括盐水）浓度范围为1 mg/L至10 μg/L的重金属。本文对实验结果进行了讨论。

• 通过喷射进样系统将加药水样送入质谱仪。
• 样品已去除水分和其他挥发性物质
• 非挥发性化合物（例如：重金属盐）会沉淀在萃取器的盘绕钨丝上。
• 为了提高检测灵敏度，分析前最多可以连续注入10份样品。
• 萃取器是一种加热的基底，用于在真空条件下干燥样品。
• 提取器已集成到离子源的离子光学系统中。
• 电子源是内置于离子源中间电极中的环形灯丝。
• 多组分快速分析的条件
  • 目标元素进入一种化合物，该化合物会主导其他化合物。
  • 这些化合物的质谱图具有特征峰，且相对强度相当高。
• 为减少复杂化合物的形成，应将pH值维持在2左右。
• 检测阈值：
  • 锌、铜、铁和砷的浓度范围为：10-100 μg/L
  • 镉：1 毫克/升

“ICP-MS入门指南，质谱基础知识 | 安捷伦”，www.agilent.com。[在线]。网址：https://www.agilent.com/en/support/atomic-spectroscopy/inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms/icp-ms-instruments/what-is-icp-ms-icp-ms-faqs

什么是ICP-MS

• 元素分析技术
• 利用氩等离子体（ICP）将样品转化为离子，然后用质谱仪进行测量。
• 质谱仪和检测器在真空环境下工作。
• 通常用于分析液体样品
• 几乎可以测量所有天然存在的元素和许多“放射性”同位素。
• 无法测量 H、He、Ar、N、O、F、Ne
• 可测量浓度低于 0.1 万亿分之一到高达百万分之几的元素。
  • 涵盖 10 个数量级

ICP-MS的工作原理是什么？

1. 样品形成细小的气溶胶雾。
2. ICP将元素转化为离子。
3. 离子被提取到真空系统中
4. 离子透镜聚焦离子并将其与背景信号分离
5. 碰撞/反应池可将分析物离子与干扰离子分离。
6. 质谱仪按质量过滤离子。
7. 电子倍增器探测器
8. 数据处理

ICP-MS是用来做什么的？

• 液体样品分析
  • 液体校准标准品广泛可用。
  • 可以通过校准来测量总浓度。
• 物种分析
  • 该方法包括将ICP-MS与色谱装置联用，以分离元素的不同化学形态。
  • 高效液相色谱法（HPLC）是应用最广泛的技术。

E. Haque等人，“利用手机光度计对现场环境中饮用水砷浓度进行定量分析”，《总体环境科学》，第 618 卷，第 579-585 页，2018 年 3 月，doi：10.1016/j.scitotenv.2016.12.123。

数字图像采集与处理

• 使用三星 S Duos-2 拍摄的现场照片
  • 分辨率为500万像素
  • 生成了 1.3 MB 的 JPEG 照片文件。
• 使用 iPhone 5S 拍摄的实验室照片
  • 分辨率为 800 万像素
  • 生成了 2.7 MB 的 JPEG 照片文件。
• 使用 EconoQuick 测试盒进行砷分析
• 样品试纸、未使用的试纸以及EQ砷测试盒浓度比色卡的照片均在室外间接阳光下拍摄，拍摄距离为60厘米，拍摄角度为45°。
• 数字图像处理采用 Adob​​e Photoshop CS6 进行。
  • 使用色阶调整工具对照片进行了标准化处理。
  • 目标是尽量减少光照条件的影响
• ColorMeter 应用可以集成到 SurveyCTO 等测量应用中，以实时分析结果。
  • 检测试纸上两个点的颜色，并将读数转换为砷的估计浓度。

结果

• 利用测试盒照片颜色数据预测的砷浓度与现场样品中ICP-MS测量的砷浓度吻合良好
• 可精确量化低至 10 µg/L 的浓度。

FS Alhamlan、AA Al-Qahtani 和 MNA Al-Ahdal，“发展中国家水传播病原体检测的推荐先进技术”，《发展中国家感染杂志》，第 9 卷，第 02 期，第 128-135 页，2015 年 2 月，doi：10.3855/jidc.6101。

聚合酶链式反应（PCR）

• 能够在不到4小时内将少量DNA扩增至数百万份。
• 分子技术是检测水样中微生物最广泛使用的方法。
• 多重PCR是一种PCR方法，其中使用多组引物来扩增多个靶标。
  • 节省时间和精力
  • 仅限于一定数量的不会发生交叉反应的有机物。
  • 人们已经开发出多种不同的多重PCR检测方法来检测细菌病原体。
• 实时PCR是另一种扩增、定量和检测生物体的方法。

16S rRNA

• 这项技术基于小核糖体亚基的RNA，这种RNA普遍存在且含量丰富。
• 能够检测微生物、鉴定微生物种类、呈现样本多样性，并提供微生物种群的基因库
• 首先从水样中提取核酸。
• 使用16S rRNA通用引物进行PCR扩增
• 然后就可以进行克隆、测序和鉴定。
• 由于病毒不含诊断性共享遗传标记，因此不能用于病毒检测。

荧光原位杂交（FISH）和共聚焦显微镜

• 可用于确定任何给定微生物样本中各个菌群的丰度
• 它能够对微生物细胞进行计数，从而生成微生物种群的定量数据。
• 该技术基于以下步骤：用固定液处理微生物细胞，将细胞固定在载玻片上并与特异性探针进行杂交，最后利用落射荧光显微镜或共聚焦激光显微镜观察探针。
• FISH技术与共聚焦显微镜的结合已成为污水处理厂可接受的监测方法。

微阵列

• 基于核酸（RNA 或 DNA）靶序列与互补序列的杂交
• 通常以分类基因（如16S rRNA基因）或功能基因为靶点
• 电化学检测 (ECD) 12K 微阵列
  • 它采用半导体矩阵，该矩阵包含在单个芯片上单独合成的超过12,000个核酸探针。
  • 主要原理是利用氧化还原活性反应来检测阳性杂交探针。
  • 已成功用于同时、快速且经济高效地筛查水样中存在的数千种病原体。

NS Kumar Gunda、S. Naicker、S. Shinde、S. Kimbahune、S. Shrivastava 和 S. Mitra，“移动水质检测套件 (MWK)：一种与智能手机兼容的低成本水质监测系统，用于快速检测总大肠菌群和大肠杆菌”，《分析方法》，第 6 卷，第 16 期，第 6236 页，2014 年 6 月，doi：10.1039/c4ay01245c。

摘要：本文开发并演示了一种快速、低成本的水质监测传感器，可同时检测受污染饮用水样品中的总大肠菌群和大肠杆菌（E. coli）。该检测方法称为移动水质检测套装（MWK），包含一套定制的化学试剂（用作比色或荧光化学传感器）、注射器过滤器单元以及一个智能手机平台（用作检测/分析系统）。MWK 可提供水样中总大肠菌群和大肠杆菌的存在/缺失信息。我们使用已知浓度的细菌样品对 MWK 的选择性、灵敏度和准确性进行了初步测试。此外，我们还使用在加拿大和印度进行的两次现场试验中采集的受污染水样对 MWK 进行了测试，并将结果与​​传统实验室方法进行了验证。利用 MWK，我们能够在 30 分钟或更短时间内检测水样中的总大肠菌群和大肠杆菌，具体时间取决于细菌浓度。在其中一个现场样本中，MWK 能够在 35 秒内检测出总大肠菌群，速度比市面上任何快速检测方法都快。这项新技术能够显著缩短对水传播疾病爆发的响应时间，并有助于水资源管理者和个人评估水源质量。

• 饮用水中大肠杆菌的目标浓度值为每100毫升0个菌落形成单位（CFU）。

方法

• 收集 100 mL 受污染的水样，并用 0.45 µm 滤膜过滤。
• 将化学试剂添加到注射器过滤器单元中。
• 滤膜颜色变为红色表明存在总大肠菌群和大肠杆菌。
• 使用智能手机捕捉颜色变化。
• 可以使用 mHealth E. coli应用程序分析图像。

化学品

• 6-氯-3-吲哚基-β-D-半乳糖苷（红半乳糖苷）
• 4-甲基伞形酮-β-D-葡糖醛酸苷（MUG）
• 细菌蛋白提取试剂（B-PER）
• 月桂基胰蛋白胨肉汤 (LTB) 和 MUG
• N,N-二甲基甲酰胺（DMF）
• 无水氯化铁（_FeCl₃）

化学试剂的配制

• 配制了4种化学试剂（A、B、C和D）。
• 试剂A：
  • 将 LTB 与 MUG (35.7 mg) 和 Red-Gal (0.3 mg) 溶解于去离子水 (1 mL) 中
• 试剂 B：
  • B-PER（1毫升）
• 试剂C：
  • _将FeCl₃ (20 mg) 溶于去离子水 (1 mL) 中
• 试剂D：
  • 将红半乳糖（30毫克）溶于DMF（0.5毫升）和去离子水（1毫升）中。
• 单次测试需要100 µL试剂A和各20 µL试剂B、C和D。
• 化学试剂的pH值必须保持在7。
• Red-Gal 和 MUG 的组合用于检测分泌 β-半乳糖苷酶和 β-葡萄糖醛酸酶的大肠杆菌病原体。

移动式水处理套件 (MWK) 的组成部分

• 可同时检测3个水样
• 由一个装有 3 个组件的盒子组成
  • 主机
    • 可放置 3 个注射器过滤器单元、4 种化学试剂和 12 个移液管，用于将化学品滴加到过滤器单元上。
  • 底部水库
    • 储存过滤水
  • 顶盖
    • 盖住盒子，避免其暴露于环境污染物中。
• 还包含 3 支 100 mL/60 mL 无菌鲁尔锁注射器和一个用于采集水样的无菌容器

水质监测

• 这款移动健康应用会分析图像，找出其中的红色，并消除任何背景色。
• 可以确定饮用水源的风险等级

结果

• 能够在 30 至 65 分钟内检测到每 100 毫升溶液中最多 2 个菌落形成单位 (CFU)。
• 对于浓度为 2 x 10⁸ ^CFU /100 mL 和 2 x 10⁷ ^CFU /100 mL 的样品，检测时间为 30 至 60 秒。

S. Wang等人，“用于测定水溶液中汞(II)的纤维素纸基试纸的开发”，《化学分析方法杂志》，2018 年第 1-7 页，2018 年 11 月，doi：10.1155/2018/3594020。

• 方法是将含有二硫腙的溶液滴加到纸上。
  • 二硫腙（_{C₁₃H₁₂N₄S ）能}^与试纸条中的显色剂和Hg²⁺形成有色络合物。
• 所用纸张为中等孔隙率滤纸
• 二硫腙溶解于三氯甲烷（CHCl₃ _）中，浓度为0.0127 g/L
• 将滤纸浸入溶液中，在室温下放置2分钟，然后在氮气保护下于50℃干燥。
• 二硫腙溶液的载药量为0.33 mg/ ^cm²

结果

• 随着试纸在待测溶液中浸泡时间的延长，颜色吸收值也随之增加。
• 滴加法更为准确；将一定量的待测溶液滴在试纸上。
• 汞-二硫腙复合物表现出无限扩散的特性。
  • 由于液体扩散率
  • 由于不均匀性，难以确定形成的颜色。
  • 为了解决这个问题，我们用记号笔在试纸上画了一个直径为9毫米的圆圈，这个圆圈起到了疏水屏障的作用，可以防止溶液扩散。
• 最后步骤：
  • 用移液器将 3.7 µL 汞溶液滴到带圆圈的测试条上。
  • 等待 2.5 分钟，待颜色显现。
• 汞的测定结果范围为 0.1 µg/mL 至 30 µg/mL

F. Kong 和 Y. Ni，“用于测定六价铬的纤维素纸基试纸的研制”，《生物资源》，第 4 卷，第 3 期，第 1088–1097 页，2022 年，访问日期：2022 年 6 月 14 日。[在线]。网址：https://ojs.cnr.ncsu.edu/index.php/BioRes/article/view/BioRes_04_3_1088_Kong_Ni_Devel_Paper_Test_Strips_Cr6/408

• 二苯基卡巴肼（DPC）是所使用的显色剂。
• 中等孔隙率滤纸
• 将浓度分别为0.2%和1%的DPC和三辛基甲基氯化铵（铵盐）混合于丙酮中。
• 将滤纸浸入该溶液中，在室温下放置5分钟。
• 纸张在空气中晾干。
• 测试结束后，将试纸在空气中放置10分钟，以获得最准确的颜色结果。
• 问题是，纸上显现的颜色会渗入溶液中（40%）。
  • 添加氨盐作为疏水物质
  • 溶液中颜色渗出量大大减少。
• 在浓度范围 0.38× ^10⁻⁵ mol/L 至 40.4× ^10⁻⁵ mol/L内，吸光度与 [ _HCrO₄⁻ ]的对数呈线性关系^。

[1] M. Denchak，“水污染：你需要知道的一切”，NRDC，2018 年 5 月 14 日。[在线]。网址：https://www.nrdc.org/stories/water-pollution-everything-you-need-know

[2] NH Omer，“水质参数”，《水质——科学、评估与政策》，2019 年 10 月，doi：10.5772/intechopen.89657。[在线]。网址：https://www.intechopen.com/online-first/water-quality-parameters

[3] PMV Raja 和 AR Barron，“1.4：原子吸收光谱学导论”，Chemistry LibreTexts，2016 年 7 月 13 日。[在线]。网址：https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Analytical_Chemistry/Physical_Methods_in_Chemistry_and_Nano_Science_(Barron)/01%3A_Elemental_Analysis/1.04%3A_Introduction_to_Atomic_Absorption_Spectroscopy

[4] VT Kogan等人，“用于测定海水中重金属的移动质谱仪：数值模拟和实验验证”，《技术物理》，第 52 卷，第 12 期，第 1604-1610 页，2007 年 12 月，doi：10.1134/s1063784207120134。

[5] “ICP-MS入门指南，质谱基础知识 | 安捷伦”，www.agilent.com。[在线]。网址：https://www.agilent.com/en/support/atomic-spectroscopy/inductively-coupled-plasma-mass-spectrometry-icp-ms/icp-ms-instruments/what-is-icp-ms-icp-ms-faqs

[6] E. Haque等人，“利用手机光度计对现场环境中的饮用水砷浓度进行定量分析”，《总体环境科学》，第 618 卷，第 579-585 页，2018 年 3 月，doi：10.1016/j.scitotenv.2016.12.123。

[7] FS Alhamlan、AA Al-Qahtani 和 MNA Al-Ahdal，“发展中国家水传播病原体检测的推荐先进技术”，《发展中国家感染杂志》，第 9 卷，第 02 期，第 128-135 页，2015 年 2 月，doi：10.3855/jidc.6101。

[8] NS Kumar Gunda、S. Naicker、S. Shinde、S. Kimbahune、S. Shrivastava 和 S. Mitra，“移动水质检测套件 (MWK)：一种与智能手机兼容的低成本水质监测系统，用于快速检测总大肠菌群和大肠杆菌”，《分析方法》，第 6 卷，第 16 期，第 6236 页，2014 年 6 月，doi：10.1039/c4ay01245c。

[9] S. Wang等人，“用于测定水溶液中汞(II)的纤维素纸基试纸的开发”，《化学分析方法杂志》，2018 年，第 1-7 页，2018 年 11 月，doi：10.1155/2018/3594020。

[10] F. Kong 和 Y. Ni，“用于测定六价铬的纤维素纸基试纸的研制”，《生物资源》 ，第 4 卷，第 3 期，第 1088–1097 页，2022 年，访问日期：2022 年 6 月 14 日。[在线]。网址：https://ojs.cnr.ncsu.edu/index.php/BioRes/article/view/BioRes_04_3_1088_Kong_Ni_Devel_Paper_Test_Strips_Cr6/408

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