麻省理工学院、南唐理工大学和几家公司的工程师开发了一种紧凑且廉价的技术，用于检测和测量水中的铅浓度，有可能在解决这一持续存在的全球健康问题方面取得重大进展。

世界卫生组织估计，全世界有2.4亿人接触的饮用水含有不安全含量的有毒铅，铅会影响儿童大脑发育，导致出生缺陷，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1000万家庭仍然通过铅管获得饮用水。

“这是一场未得到解决的公共卫生危机，每年导致超过100万人死亡，”麻省理工学院博士后、描述这项新技术的论文的资深作者JiaXuBrianSia说。

但检测水中的铅需要昂贵、笨重的设备，并且通常需要数天才能得到结果。或者，它使用简单的测试条，仅显示有关铅是否存在的“是”或“否”答案，但不显示有关其浓度的信息。目前的EPA法规要求饮用水中的铅含量不得超过十亿分之15，该浓度如此之低以至于难以检测。

新系统可在两三年内投入商业部署，使用手持设备中的简单芯片检测器，可以高精度检测低至十亿分之一的铅浓度。该技术几乎可以即时进行定量测量，并且只需要一滴水。

今天发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文描述了这些发现，作者是麻省理工学院研究生兼主要作者LuigiRanno、胡珏君教授以及麻省理工学院和学术界和工业界其他机构的其他12人。

该团队着手寻找一种基于光子芯片的简单检测方法，该芯片利用光进行测量。具有挑战性的部分是找到一种方法将某些称为冠醚的环形分子附着到光子芯片表面，它可以捕获特定的离子，例如铅。

经过多年的努力，他们能够通过一种称为费歇尔酯化的化学过程实现这种连接。“这是我们在这项技术上取得的重要突破之一，”Sia说。

在测试新芯片时，研究人员表明它可以检测水中浓度低至十亿分之一的铅。在更高的浓度下(可能与测试尾矿等环境污染相关)，准确度在4%以内。

该设备可在不同酸度的水中工作，pH值范围为6至8，“这涵盖了大多数环境样本，”Sia说。他们用海水和自来水测试了该设备，并验证了测量的准确性。

为了达到这样的精度水平，当前的测试需要一种称为电感耦合等离子体质谱仪的设备。“这些装置可能很大而且很昂贵，”Sia说。样品处理可能需要数天时间，并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”，但还需要进一步的工作才能将其开发成实用的集成手持设备。“为了制造实际的产品，您需要将其包装成可用的外形尺寸，”他解释道。这将涉及将小型基于芯片的激光器耦合到光子芯片。

“这是一个机械设计、一些光学设计、一些化学以及弄清楚供应链的问题，”他说。他说，虽然这需要时间，但基本概念很简单。

兰诺说，该系统可以适用于检测水中其他类似的污染物，包括镉、铜、锂、钡、铯和镭。该设备可以与简单的墨盒一起使用，可以更换这些墨盒来检测不同的元素，每个元素使用稍微不同的冠醚，可以与特定的离子结合。

“存在一个问题，那就是人们对水的测量不够，特别是在发展中国家，”兰诺说。“那是因为他们需要收集水，准备样本，并将其带到这些极其昂贵的巨大仪器中。”

相反，“拥有这种紧凑的手持设备，即使未经培训的人员也可以以低成本带到源头进行现场监控”，可以使定期、持续的广泛测试变得可行。

约翰·埃利奥特材料科学与工程教授胡说：“我希望这一技术能够迅速实施，这样我们就能造福人类社会。这是来自实验室创新技术的一个很好的例子，它实际上可能对社会产生非常切实的影响，这当然是非常有成就感的。”

“如果这项研究能够扩展到同时检测多种金属元素，特别是目前涉及的放射性元素，其潜力将是巨大的，”中国湖南大学环境科学与工程系副教授侯王说。与这项工作相关。

王补充道：“这项研究设计了一种能够即时检测水中铅浓度的传感器，可用于实时监测电池制造、铅冶炼等行业排放废水中的铅污染浓度，促进建立铅污染环境。”我认为这项研究的创新性和发展潜力是相当值得称赞的。”

新加坡材料研究所首席研究科学家王谦(也没有参与这项工作)表示：“普遍、便携式和定量铅检测的能力已被证明具有挑战性，主要是由于成本这项工作展示了以高度集成的形式实现这一点的潜力，并且与大规模、低成本制造兼容。”

该团队包括来自麻省理工学院、新加坡南洋理工大学和淡马锡实验室、英国南安普顿大学、新加坡FingateTechnologies和总部位于马来西亚的VulcanPhotonics公司的研究人员。这项工作使用了MIT.nano、哈佛大学纳米系统中心、南洋理工大学微纳米电子中心和南洋纳米制造中心的设施。

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