重金属离子检测的新突破：一步法图案化比色传感器阵列

引言

随着工业化进程的加速和生活方式的变化，水资源短缺问题日益严重，尤其在许多发展中国家，淡水资源的可用性已降至历史低点。与此同时，重金属污染已成为水污染的主要原因之一，对人类健康和生态环境构成严重威胁。快速、高效的重金属检测技术因此显得尤为重要。近年来，比色传感器阵列（CSA）因其高可靠性、快速响应、易于操作、便携性和低成本等优点，在环境监测、食品安全测试和早期疾病检测等领域受到了广泛关注。本文将介绍一种基于一步法图案化的比色传感器阵列，用于高效检测重金属离子的研究成果。

正文

1. 比色传感器阵列的设计原理

比色传感器阵列的工作原理类似于人体的嗅觉和味觉系统，通过多个交叉反应的化学受体克服了传统比色传感器在识别相似和复杂分析物方面的局限性。本研究中，我们选用九种不同的商业化金属离子指示剂（PV、TAN、PAR、PAN、5-Br-PADAB、DIZO、5-Br-PADAP、DPC 和 TMK），这些指示剂对不同金属离子表现出不同的颜色变化，从而实现对多种金属离子的识别。

2. 制备工艺创新

传统的比色传感器阵列制备过程复杂且成本高昂，可能依赖于昂贵的液滴图案化设备，并存在疏水屏障泄漏的风险。为了简化这一过程并提高传感器的稳定性，我们采用了一步法图案化技术。具体步骤如下：

基底选择与处理：选用聚乙烯醇（PVA）多孔聚合物作为基底，其具有稳定的流速和高孔隙率。基底经过浸渍处理，表面形成疏水层，接触角达到142°±3°，有效防止液体渗透。

图案化印刷：使用定制喷嘴同时分布指示剂和创建疏水屏障。每个检测单元打印0.4 µL乙醇溶液，随后打印0.6 µL缓冲溶液（pH 7），确保指示剂牢固附着在基底上，避免扩散或泄漏。

3. 实验验证与数据分析

为了验证传感器的性能，我们进行了多次实验，包括定性和定量分析。实验结果表明，该传感器能够在约两分钟内成功识别28种重金属离子（浓度为ppm级别），并具备半定量检测能力。以下是具体实验步骤和结果：

定性分析：通过提取RGB值生成差异图像，不同金属离子展现出独特的指纹图谱。主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）进一步验证了传感器的识别能力和重现性。

定量分析：随着离子浓度的增加，传感器的颜色响应（以欧几里得距离表示）逐渐增强。通过PCA、HCA和线性判别分析（LDA）对反应结果进行分析，传感器能够区分不同浓度的单一重金属离子，且在相同质量浓度下表现出可靠的分辨性能。

4. 实际应用与前景展望

为了评估传感器在实际样品中的表现，我们收集了南宁邕江的水样，并引入了多种重金属离子混合物进行测试。结果显示，即使在低浓度（1 ppm）的情况下，传感器仍能实现95%的分类准确率。此外，传感器还展示了对复杂多组分混合物的良好识别性能，适用于初步筛查和非法重金属废水排放的早期预警监测。

结论

综上所述，我们开发了一种基于一步法图案化的比色传感器阵列，用于重金属离子检测。该方法简化了传感器的制备过程，提高了稳定性和检测效率，能够在短时间内准确识别多种重金属离子。未来，我们将继续优化传感器的设计，拓展其应用范围，为环境保护和公共健康提供更有力的技术支持。

图 1. 一步 CSA 制造工艺及金属离子检测工艺的示意图。

（a）pH 4（b）pH 7（c）pH 9.18 缓冲条件下检测50ppm的28种重金属离子时，CSA 中每个传感单元的颜色响应。

参考文献

Shengchang Tang, Cuimin Sun, Xiangfu Wei, Guangyong Huang, Peng Dai, Yongchao Cai, Hui You. One-step patterned fabrication of a colorimetric sensor array for heavy metal ions detection. Chemical Engineering Journal 512 (2025) 162525.