Une percée mobile pour la surveillance de l'environnement aquatique

Les technologies d'analyse colorimétrique fiables ont été largement plébiscitées pour leurs réponses très sensibles et sélectives vis-à-vis de divers contaminants dans le cadre de la surveillance environnementale. En principe, l'agent chromogène réagit sélectivement avec la cible dans les échantillons d'eau, et le produit coloré reflète le spectre d'absorbance spécifique. Conformément à la loi de Lambert-Beer, l'absorbance est proportionnelle à la concentration de l'espèce absorbante, ce qui constitue la base de la détection qualitative et quantitative des contaminants dans les échantillons d'eau. L'observation à l'œil nu présente l'avantage d'être peu coûteuse, mais sa précision est insatisfaisante. Le détecteur photoélectronique classique, tel que le spectrophotomètre et le lecteur de microplaques, est coûteux et donc difficile à appliquer dans des environnements à ressources limitées ou éloignés.

Le scénario d'application des technologies d'analyse colorimétrique a suscité un vif intérêt pour l'équilibre entre la précision et le coût. Si l'on considère à la fois la précision et le coût, le développement de technologies d'analyse colorimétrique sur la plate-forme commerciale des téléphones portables suscite une grande attention dans le domaine de la surveillance de l'environnement en raison du faible coût, de la grande flexibilité, de la facilité de miniaturisation et de la possession généralisée des téléphones portables. Les avantages exceptionnels de la technologie colorimétrique basée sur les téléphones cellulaires devraient permettre d'accélérer considérablement les capacités d'analyse de l'environnement et de la santé dans les pays et régions éloignés ou moins développés. Cependant, la majorité des études rapportées se sont concentrées sur la détection colorimétrique à canal unique, ce qui a conduit à une efficacité de détection limitée, en particulier face à des contaminants complexes dans les échantillons d'eau.

La recherche sur les systèmes de détection multicanaux basés sur les téléphones portables a suscité un intérêt croissant car ces systèmes ont le potentiel de détecter simultanément plusieurs cibles en une seule mesure, et les techniques utilisées pour l'évaluation rapide des échantillons d'eau sont rapides, robustes et peu coûteuses. Pour réaliser la capacité de détection multicanaux, une voie technologique courante consiste à capturer directement les images colorimétriques de plaques à 96 puits à l'aide de la caméra d'un téléphone portable. Dans tous les cas, la majorité des stratégies visant à améliorer la capacité de détection du système basé sur un téléphone portable étaient basées sur une source de lumière monochromatique, manquant d'universalité et de flexibilité vis-à-vis de différents contaminants qui présentent différents pics d'absorption.

Dans ce travail, les chercheurs de l'Institut de technologie de Harbin, de l'Université de Tsinghua et de l'Université de Chongqing ont proposé un capteur colorimétrique multicanaux basé sur un téléphone portable pour la surveillance environnementale de l'eau. Une matrice de LED blanches a été utilisée comme lumière incidente pour éclairer une plaque à 96 puits. Pour améliorer la sensibilité du capteur, un système de chemin optique délicat a été créé en utilisant un réseau de diffraction pour diviser six faisceaux blancs transmettant à travers les multiples échantillons colorés. La lumière transmise par les six puits a été collectée par six fibres optiques et imagée par la caméra d'un téléphone portable après avoir traversé un réseau de diffraction, ce qui permet à la caméra CMOS du téléphone portable de capturer la lumière diffractée pour l'analyse de l'image. L'image a été capturée par une application pour téléphone portable conçue sur mesure pour être analysée à l'aide d'un algorithme spécifique, ce qui a donné des résultats de détection qui ont été affichés à l'aide de la même application. Cette étude intitulée "A cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for water environmental monitoring" est publiée en ligne dans Frontiers of Environmental Science & Engineering en 2022.

Le capteur compact a été testé avec succès pour la détection simultanée de divers contaminants environnementaux avec une gamme de longueurs d'onde d'absorption de 400-700 nm, atteignant une sensibilité, une spécificité et une fiabilité élevées. En introduisant le réseau de diffraction pour diviser la lumière, la sensibilité a été améliorée de plus de six fois par rapport à un système qui photographiait directement la lumière transmise. Comme preuve de concept, le capteur a été utilisé pour détecter simultanément la turbidité, l'orthophosphate, l'azote ammoniacal et trois métaux lourds avec une sensibilité élevée. De plus, la grande stabilité (RSD de 0,37%-1,60%) et les excellentes récupérations (95,5%-106,0%) ont démontré que notre capteur peut effectuer une détection précise dans des matrices d'eau réelles.

Grâce à ses remarquables performances de détection, à son faible coût, à sa facilité d'utilisation, à sa bonne portabilité et à sa mesure multi-index, le capteur miniature a démontré sa capacité de détection sur le terrain pour la surveillance de l'environnement, qui peut être étendue au diagnostic au point de service, au contrôle de la sécurité alimentaire et à l'alerte précoce des risques, etc. Notamment, en introduisant des matériaux de bioreconnaissance, tels qu'une enzyme, un anticorps et un acide nucléique fonctionnel, le capteur a le potentiel d'être plus intelligent pour réaliser la détection de traces de matières organiques. En outre, on peut s'attendre à ce que cette technologie permette d'avoir jusqu'à 96 canaux de détection, en partant du principe qu'il faut surmonter la limitation du volume ou du nombre de réseaux de diffraction.