一種新的晶片級裝置可以靈敏地檢測飲用水中的鉛含量，鉛的毒性影響著全球2.4 億人。麻省理工學院的工程師與合作者開發出一種結構緊湊、成本低廉的技術，用於檢測和測量水中的鉛。這種新系統使用光子晶片和冠醚來捕捉鉛離子，只需一滴水就能提供近乎即時的準確結果。

晶片表面的藝術效果圖，顯示晶片上用於檢測鉛存在的光干涉儀。插圖顯示了鉛與冠醚的結合過程。來源：Jia Xu Brian Sia

麻省理工學院、南洋理工大學和幾家公司的工程師們開發出了一種用於檢測和測量水中鉛濃度的小巧而廉價的技術，有可能在解決這一長期存在的全球健康問題方面取得重大進展。

根據世界衛生組織估計，全世界有2.4 億人暴露在含有不安全有毒鉛的飲用水中，鉛會影響兒童的大腦發育，導致先天缺陷，並產生各種神經、心臟和其他破壞性影響。光是在美國，估計就有1,000 萬戶家庭的飲用水仍然是透過鉛管輸送的。

用於傳輸分析溶液的微流體室和側面用於測量晶片光子響應的光導纖維圖片來源：研究人員提供

麻省理工學院博士後賈旭-布萊恩-西亞（Jia Xu Brian Sia）是介紹這項新技術的論文的資深作者，他說：”這是一個尚未解決的公共衛生危機，每年導致超過100 萬人死亡。

然而，檢測水中的鉛需要昂貴、笨重的設備，通常需要數天才能得到結果。或者，使用簡單的試紙，只能得出鉛是否存在的答案，卻無法得知鉛的濃度。美國環保署的現行規定要求飲用水中的鉛含量不得超過十億分之十五，這個濃度非常低，很難檢測出來。

這個新系統可在兩三年內投入商業應用，利用一個安裝在手持設備中的基於晶片的簡單檢測器，可高精度地檢測出低至十億分之一的鉛濃度。該技術幾乎可以立即進行定量測量，而且只需要一滴水。

5月14日，Sia、麻省理工學院研究生兼主要作者Luigi Ranno、胡覺俊教授以及麻省理工學院和其他學術界和工業界機構的其他12人在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上發表了一篇論文，對這些發現進行了描述。

賈旭-布萊恩-西亞（左）和路易吉-蘭諾（右）展示完全封裝的感測器晶片和微流體室。圖片來源：研究人員提供

研究小組開始尋找一種基於光子晶片的簡單檢測方法，這種晶片利用光來進行測量。具有挑戰性的部分是找到一種方法，將某些被稱為冠醚的環形分子附著在光子晶片表面，冠醚可以捕捉特定的離子，如鉛。經過多年努力，他們終於透過一種名為費歇爾酯化的化學過程實現了這種附著。 “這是我們在這項技術上取得的重要突破之一。

在新晶片的測試中，研究人員發現它可以檢測出水中低至十億分之一濃度的鉛。在更高濃度的情況下（可能與檢測環境污染（如礦山尾礦）有關），其準確度在4% 以內。

多功能性和實際應用

Sia 說：”該裝置可在酸度不同的水中工作，pH 值從6 到8 不等，涵蓋了大多數環境樣本。他們用海水和自來水對該裝置進行了測試，並驗證了測量的準確性。 “

為了達到這樣的精確度，目前的測試需要一種稱為電感耦合等離子體質譜儀的設備。 Sia說：”這些裝置可能很大，而且很昂貴。樣品處理可能需要數天時間，而且需要經驗豐富的技術人員。”

蘭諾說，雖然他們開發的新晶片系統是”創新的核心部分”，但要將其開發成一個集成的手持設備供實際使用，還需要進一步的工作。他解釋說：”要製造出實際產品，就需要將其封裝成可用的外形尺寸。這就需要在光子晶片上耦合一個基於晶片的小型雷射。這是一個機械設計、光學設計、化學和供應鏈的問題。

此系統可用於檢測水中其他類似的污染物，包括鎘、銅、鋰、鋇、銫和鐳。該設備可與簡單的濾芯一起使用，這些濾芯可以更換，以檢測不同的元素，每種元素使用的冠醚都略有不同，可以與特定的離子結合。

對全球健康的影響

「人們對水的測量不夠，尤其是在發展中國家，這是一個問題，」蘭諾說。 “這是因為他們需要採集水、準備樣本，然後把水帶到這些極其昂貴的大型儀器前。相反，”有了這種手持式設備，即使是未經培訓的人員也能以低廉的成本將其帶到水源地進行現場監測”，就能使定期、持續的廣泛檢測變得可行。”

身為材料科學與工程系約翰-F-艾利奧特（John F. Elliott）教授的Hu 說：「我希望這項技術能盡快得到應用，從而造福人類社會。這是一個很好的例子，說明來自實驗室創新的技術可能真的會對社會產生非常切實的影響，這當然是非常有成就感的。

中國湖南大學環境科學與工程學院副教授王厚說：”如果這項研究能夠擴展到同時檢測多種金屬元素，尤其是目前涉及的放射性元素，那麼它的潛力將是巨大的。”

王補充說：「這項研究設計出了一種能夠即時檢測水中鉛濃度的感測器。這可用於即時監測電池製造和鉛冶煉等工業廢水中的鉛污染濃度，從而促進工業廢水監測系統的建立。我認為這項研究的創新和發展潛力相當值得稱讚。

新加坡材料研究所首席研究科學家王謙（Wang Qian）對此評論說：”主要由於成本問題，對鉛進行普遍、便攜和定量檢測的能力已被證明具有挑戰性。這項工作展示了以高度集成的形式實現這一目標的潛力，並且與大規模、低成本製造相容。

編譯來源：ScitechDaily