铅与冠醚的结合过程如插图所示。图片来源:Jia Xu Brian Sia
麻省理工学院、南塘理工大学和几家公司的工程师已经开发出一种紧凑、廉价的技术，用于检测和测量水中的铅浓度，有可能在解决这一长期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2.4亿人接触到含有不安全的有毒铅的饮用水，这可能会影响儿童的大脑发育，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1000万户家庭仍然通过铅管获得饮用水。
“这是一场未解决的公共卫生危机，每年导致100多万人死亡，”麻省理工学院博士后、描述这项新技术的论文的资深作者贾旭·布莱恩·希亚(Jia Xu Brian Sia)说。
但检测水中的铅需要昂贵、笨重的设备，通常需要几天才能得到结果。或者，它使用简单的试纸，只显示是否存在铅的答案，而不提供其浓度的信息。目前美国环保署的规定要求饮用水的含铅量不能超过十亿分之十五，这个浓度太低了，很难检测出来。
新系统可以在两到三年内投入商业部署，它可以检测到低至十亿分之一的铅浓度，准确度很高，使用的是一个简单的基于芯片的检测器，安装在手持设备中。这项技术几乎可以即时进行定量测量，只需要一滴水。
这一发现发表在今天的《自然通讯》杂志上，由Sia、麻省理工学院的研究生和主要作者Luigi Ranno、Juejun Hu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人共同撰写。
该团队开始寻找一种基于光子芯片的简单检测方法，光子芯片利用光进行测量。具有挑战性的部分是找到一种方法，将某些被称为冠醚的环状分子附着在光子芯片表面，这种分子可以捕获特定的离子，如铅。
经过多年的努力，他们能够通过一种被称为费舍尔酯化的化学过程实现这种附着。“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，它可以检测到水中浓度低至十亿分之一的铅。在高得多的浓度下，这可能与测试矿山尾矿等环境污染有关，准确度在4%以内。
该设备可以在不同酸度的水中工作，pH值从6到8不等，“这涵盖了大多数环境样本，”Sia说。他们已经在海水和自来水中测试了该装置，并验证了测量结果的准确性。
用于Pb2+离子检测的Crown Ether/SiP平台的概念。来源:《自然通讯》(Nature Communications)， 2024年出版
为了达到这样的精度水平，目前的测试需要一种叫做电感耦合等离子体质谱计的设备。“这些设备可能很大，也很昂贵，”Sia说。样品处理可能需要几天时间，需要经验丰富的技术人员。
Ranno说，虽然他们开发的新芯片系统是“创新的核心部分”，但要将其开发成实际使用的集成手持设备，还需要进一步的工作。他解释道:“为了制作一款真正的产品，你需要将其包装成一个可用的外形。这将涉及到将一个基于芯片的小型激光器与光子芯片耦合。
他说:“这是一个机械设计、光学设计、化学设计和供应链的问题。”他说，虽然这需要时间，但基本概念是直截了当的。
Ranno说，该系统可以用于检测水中其他类似的污染物，包括镉、铜、锂、钡、铯和镭。该装置可以与简单的墨盒一起使用，可以交换出来检测不同的元素，每个元素使用略微不同的冠醚，可以与特定的离子结合。
Ranno说:“人们没有充分测量他们的水是一个问题，特别是在发展中国家。”“这是因为他们需要收集水，准备样本，并把它带到这些非常昂贵的大型仪器上。”
相反，“拥有这种手持设备，即使是未经训练的人员也可以以低成本将其带到现场进行现场监测”，可以使定期进行的广泛测试成为可能。
胡是材料科学与工程学院的约翰·f·艾略特教授，他说:“我希望这能很快实现，这样我们就能造福人类社会。这是一个很好的例子，一项来自实验室创新的技术实际上可能对社会产生非常切实的影响，这当然是非常令人满意的。”
“如果这项研究可以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，它的潜力将是巨大的，”中国湖南大学环境科学与工程副教授侯王说，他没有参与这项工作。
王补充说:“这项研究设计了一种能够即时检测水中铅浓度的传感器。可以实时监测电池制造、铅冶炼等行业排放的废水中铅污染浓度，便于工业废水监测系统的建立。我认为这项研究的创新方面和发展潜力是值得称赞的。”
新加坡材料研究所(Institute of Materials research)的首席研究科学家王谦(Wang Qian)也没有参与这项工作，他说:“普遍、便携和定量检测铅的能力已被证明是具有挑战性的，主要是由于成本问题。这项工作证明了在高度集成的外形因素中实现这一目标的潜力，并且与大规模、低成本制造相兼容。”
该团队包括麻省理工学院、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Fingate科技公司和总部位于马来西亚的Vulcan Photonics公司的研究人员。这项工作使用了麻省理工学院的设备。纳米、哈佛大学纳米系统中心、南洋理工大学微纳米电子学中心和南洋纳米制造中心。
