研究人员创造了一种新型光学传感器，简化了水中极低浓度砷的实时检测。这一创新可能为家庭砷检测铺平道路，使个人能够检查自己的水质。
研究人员开发了一种新的光学传感器，提供了一种简单的方法来实现水中极低水平砷的实时检测。这项技术可能使家庭检测砷成为可能，赋予个人监测自己的水质的能力。
砷污染是一个重大的环境和健康问题，影响全球数百万人。这种形式的污染发生在自然地质过程将砷从土壤和岩石释放到地下水中时。采矿、工业废物处置以及使用基于砷的杀虫剂等活动可能会加剧这一问题。
印度古瓦哈提技术学院的首席研究员苏尼尔·基哈尼亚表示：“饮用被砷污染的水可导致严重的健康问题，如砷中毒以及影响皮肤、肺、肾脏和膀胱的各种癌症。通过开发一种敏感、选择性、可重复使用且可负担的传感器，我们希望创建一种有效且可获得的工具，用于常规监测，从而帮助社区减少砷暴露的风险。”
在Optica出版集团的期刊Applied Optics中，研究人员详细介绍了他们的新传感器，该传感器利用光纤和一种称为局部表面等离子体共振的现象，识别出低至0.09微克/升（ppb）的砷水平——这个水平远低于世界卫生组织规定的10 ppb的最高允许限值。该传感器在从不同地点和条件下采集的真实饮用水样本中表现出可靠的性能。
基哈尼亚表示：“这种高度敏感的传感器可以在仅仅0.5秒内分析结果，并表现出卓越的可重复性、稳定性和可靠性，使其成为监测和确保更清洁水质的有效工具。未来，这项技术可以简化个人评估饮用水安全的过程，可能防止接触有害的砷水平，从而挽救生命。”
用户友好的同时又准确的传感器
虽然传统的砷检测光谱法准确且敏感，但通常需要复杂、昂贵和笨重的设备，操作起来也可能很困难。为了填补这一空白，研究人员设计了一种光纤传感器，不仅能够达到低检测水平，而且具有成本效益，易于用于饮用水中常规的砷监测。
为了制造这种新型传感器，研究人员在光纤内核的表面涂覆金纳米粒子和一层薄薄的特殊纳米复合材料，由氧化铝和氧化石墨烯组成，能够选择性地与砷离子结合。由于全内反射形成的余晖波，部分光线在光纤内核中传播并延伸到光纤包层。通过在光纤的一个小段去除包层，余晖波与外部环境接触。
当光通过光纤传播时，余晖波与金纳米粒子相互作用，诱发局部表面等离子体共振——即纳米粒子表面的电子对特定光波长的响应而振荡。如果砷存在，它将附着在纳米复合材料上，导致表面等离子体共振波长的可测量变化，从而允许准确检测水中微量砷。
彻底的性能评估
研究人员用不同浓度的砷离子溶液评估了传感器，发现其在测试范围内始终如一且可靠地检测到砷。经过进一步优化后，他们测试了各种参数，展示出传感器在砷浓度变化时提供一致结果，并在仅0.5秒内实现快速响应时间。
该传感器的最大分辨率为±0.058 ppb砷，并在分析同一砷浓度的样本时在18天的时间跨度内保持稳定结果。研究团队还将传感器的读数与使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）这种标准测量砷的方法进行比较。传感器显示出低于5%的相对百分差，显示出这两种技术之间的强相关性。
为了评估传感器的实际有效性，研究人员在来自印度古瓦哈提的不同地点的饮用水样本上进行了测试，发现其在多种条件下表现可靠。
基哈尼亚表示：“这些研究确认，所提出的光纤传感器提供了一种高度敏感、选择性、快速、经济、简单且用户友好的解决方案，用于现场环境中的砷检测。长期来看，这种新的策略可以被调整，创造一系列价格合理且便于使用的环境监测工具。”
研究人员强调，虽然该传感器已准备好用于现实世界的砷检测，但开发一种更经济、简单的光源和探测器对于更广泛的实施至关重要。
