一种新的芯片级装置可以灵敏地检测饮用水中的铅含量，铅的毒性影响着全球 2.4 亿人。麻省理工学院的工程师与合作者开发出一种结构紧凑、成本低廉的技术，用于检测和测量水中的铅。这种新系统使用光子芯片和冠醚来捕捉铅离子，只需一滴水就能提供近乎即时的准确结果。

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芯片表面的艺术效果图，显示芯片上用于检测铅存在的光干涉仪。插图显示了铅与冠醚的结合过程。资料来源：Jia Xu Brian Sia

麻省理工学院、南洋理工大学和几家公司的工程师们开发出了一种用于检测和测量水中铅浓度的小巧而廉价的技术，有可能在解决这一长期存在的全球健康问题方面取得重大进展。

据世界卫生组织估计，全世界有 2.4 亿人暴露在含有不安全有毒铅的饮用水中，铅会影响儿童的大脑发育，导致先天缺陷，并产生各种神经、心脏和其他破坏性影响。仅在美国，估计就有 1,000 万户家庭的饮用水仍然是通过铅管输送的。

用于传输分析溶液的微流体室和侧面用于测量芯片光子响应的光导纤维 图片来源：研究人员提供

麻省理工学院博士后贾旭-布莱恩-西亚（Jia Xu Brian Sia）是介绍这项新技术的论文的资深作者，他说："这是一个尚未解决的公共卫生危机，每年导致超过 100 万人死亡。"

然而，检测水中的铅需要昂贵、笨重的设备，通常需要数天才能得到结果。或者，使用简单的试纸，只能得出铅是否存在的答案，却无法得知铅的浓度。美国环保局的现行规定要求饮用水中的铅含量不得超过十亿分之十五，这个浓度非常低，很难检测出来。

这一新系统可在两三年内投入商业应用，利用一个安装在手持设备中的基于芯片的简单检测器，可高精度地检测出低至十亿分之一的铅浓度。该技术几乎可以立即进行定量测量，而且只需要一滴水。

5月14日，Sia、麻省理工学院研究生兼主要作者Luigi Ranno、胡觉俊教授以及麻省理工学院和其他学术界和工业界机构的其他12人在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上发表了一篇论文，对这些发现进行了描述。

贾旭-布莱恩-西亚（左）和路易吉-兰诺（右）展示完全封装的传感器芯片和微流体室。图片来源：研究人员提供

研究小组开始寻找一种基于光子芯片的简单检测方法，这种芯片利用光来进行测量。具有挑战性的部分是找到一种方法，将某些被称为冠醚的环形分子附着在光子芯片表面，冠醚可以捕捉特定的离子，如铅。经过多年努力，他们终于通过一种名为费歇尔酯化的化学过程实现了这种附着。"这是我们在这项技术上取得的重要突破之一。

在对新芯片的测试中，研究人员发现它可以检测出水中低至十亿分之一浓度的铅。在更高浓度的情况下（可能与检测环境污染（如矿山尾矿）有关），其准确度在 4% 以内。

多功能性和实际应用

Sia 说："该装置可在酸度不同的水中工作，pH 值从 6 到 8 不等，涵盖了大多数环境样本。他们用海水和自来水对该装置进行了测试，并验证了测量的准确性。"

为了达到这样的精确度，目前的测试需要一种叫做电感耦合等离子体质谱仪的设备。Sia说："这些装置可能很大，而且很昂贵。样品处理可能需要数天时间，而且需要经验丰富的技术人员。"

兰诺说，虽然他们开发的新芯片系统是"创新的核心部分"，但要将其开发成一个集成的手持设备供实际使用，还需要进一步的工作。他解释说："要制造出实际产品，就需要将其封装成可用的外形尺寸。这就需要在光子芯片上耦合一个基于芯片的小型激光器。这是一个机械设计、光学设计、化学和供应链的问题。他说，虽然这需要时间，但基本概念是简单明了的。"

该系统可用于检测水中其他类似的污染物，包括镉、铜、锂、钡、铯和镭。该设备可与简单的滤芯一起使用，这些滤芯可以更换，以检测不同的元素，每种元素使用的冠醚都略有不同，可以与特定的离子结合。

对全球健康的影响

"人们对水的测量不够，尤其是在发展中国家，这是一个问题，"兰诺说。"这是因为他们需要采集水、准备样本，然后把水带到这些极其昂贵的大型仪器前。相反，"有了这种手持式设备，即使是未经培训的人员也能以低廉的成本将其带到水源地进行现场监测"，就能使定期、持续的广泛检测变得可行。"

身为材料科学与工程系约翰-F-埃利奥特（John F. Elliott）教授的 Hu 说："我希望这项技术能尽快得到应用，从而造福人类社会。这是一个很好的例子，说明来自实验室创新的技术可能真的会对社会产生非常切实的影响，这当然是非常有成就感的。"

中国湖南大学环境科学与工程学院副教授王厚说："如果这项研究能够扩展到同时检测多种金属元素，尤其是目前涉及的放射性元素，那么它的潜力将是巨大的。"

王补充说："这项研究设计出了一种能够即时检测水中铅浓度的传感器。这可用于实时监测电池制造和铅冶炼等工业废水中的铅污染浓度，从而促进工业废水监测系统的建立。我认为这项研究的创新性和发展潜力相当值得称赞。"

新加坡材料研究所首席研究科学家王谦（Wang Qian）对此评论说："主要由于成本问题，对铅进行普遍、便携和定量检测的能力已被证明具有挑战性。这项工作展示了以高度集成的形式实现这一目标的潜力，并且与大规模、低成本制造兼容。"

编译来源：ScitechDaily