技術(shù)演示設(shè)計(jì)中使用的概念：識別當(dāng)?shù)厝丝诘乃�質(zhì)問題，修改棉花以發(fā)出指示氟化物含量的光，技術(shù)演示設(shè)計(jì)和構(gòu)建，以及將氟化物水平轉(zhuǎn)移到要處理的智能手機(jī)并分享。圖片來源：2021，信州大學(xué)木村實(shí)驗(yàn)室

聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)第 6 項(xiàng)解決了所有人獲得清潔水和衛(wèi)生設(shè)施的需求。在世界范圍內(nèi)，三分之一的人無法獲得安全的飲用水，五分之二的人沒有使用肥皂和水的基本洗手設(shè)施。

水質(zhì)還與溶解元素有關(guān)。在氟化物的情況下，建議控制量以保護(hù)牙齒，例如包含在牙膏中。較高的水平會導(dǎo)致氟中毒，干擾牙釉質(zhì)的形成，糾正骨骼的生長，并導(dǎo)致脊柱和關(guān)節(jié)的嚴(yán)重畸形。在沒有適當(dāng)供水網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)村地區(qū)，水中氟化物濃度較高的發(fā)生率較高。

水源中的氟化物具有地質(zhì)成因而非人為來源——水中的氟化物濃度由河床中的地質(zhì)構(gòu)造決定。因此，受影響地區(qū)的氟化物分布可能不均勻，安全和不安全氟化物水平的水源可能彼此接近。在這種情況下，當(dāng)?shù)鼐用窨梢酝ㄟ^配備特定設(shè)備來檢測水中氟化物含量并幫助他們飲用安全水來解決氟化物問題。

氟化物檢測設(shè)備成本中等偏高，需要培訓(xùn)才能有效使用。對于農(nóng)村地區(qū)的人口來說，這筆費(fèi)用是負(fù)擔(dān)不起的。出于這些原因，信州大學(xué)木村睦美教授和 Eugenio Otal 博士領(lǐng)導(dǎo)的小組決定開發(fā)負(fù)擔(dān)得起的便攜式設(shè)備，可以以簡單的方式以低成本檢測氟化物。他們的研究最近發(fā)表在《Chemistry-A European Journal》上。開發(fā)的技術(shù)演示的成本約為 23 美元，但如果擴(kuò)大生產(chǎn)，這個(gè)價(jià)格可以降低到一半以下。主要成本與對許多測定有用的電子設(shè)備有關(guān)。

基于鑭系元素的金屬有機(jī)框架 (MOF) 為氟化物傳感提供了良好的平臺，因?yàn)樗鼈儗Ψ�化物具有高親和力，并且在可見光譜中具有強(qiáng)發(fā)射。氟化物對鑭系元素的強(qiáng)親和力將 MOF 轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氟化物，從而淬滅鑭系元素?zé)晒�。這種強(qiáng)度變化可用于確定飲用水中的氟化物含量。信州大學(xué)的研究人員選擇棉花作為其親水性的基材，可以與多孔 MOF 產(chǎn)生良好的協(xié)同作用，并可以很好地控制引入裝置中的液體樣品量，從而使結(jié)果具有可重復(fù)性并簡化了以前使用的系統(tǒng)。

這些創(chuàng)新與該集團(tuán)之前的發(fā)展相兼容，這些發(fā)展于今年 1 月發(fā)表在ACS-Sensors上。在上一篇文章中，他們展示了基于 Arduino 微控制器的電子平臺，該平臺使用智能手機(jī)作為電源和數(shù)據(jù)采集平臺。這項(xiàng)創(chuàng)新消除了電池和屏幕，降低了成本，并允許將氟化物定量信息直接傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)。設(shè)備中使用的Arduino代碼也可以根據(jù)當(dāng)?shù)厝丝诘囊�求進(jìn)行修改。

為了傳輸信息，開發(fā)了一個(gè)友好的圖形界面（hello.fridie.de/zensorics-app/），它從智能手機(jī) GPS收集氟化物定量數(shù)據(jù)、時(shí)間、日期和位置，并通過電子郵件、短信、 WhatsApp 或任何即時(shí)消息服務(wù)都將包含在安全用水地圖中，以便與當(dāng)?shù)仄渌�人口共享�?/p>

這個(gè)新穎的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 4.0 工業(yè)概念，它是 3D 可打印的、Arduino 可編程的、開源的，并且該設(shè)備可以本地生產(chǎn)和分布式。所有這些創(chuàng)新產(chǎn)生了一種低成本的設(shè)備，可以由未經(jīng)培訓(xùn)的用戶輕松操作。

下一步是實(shí)現(xiàn)性能更好的 MOF。實(shí)際系統(tǒng)使用 UV LED 來激發(fā)鑭系元素 MOF 并檢測綠色發(fā)射。第一作者 Eugenio Otal 說：“我們開發(fā)了這種 MOF 的改進(jìn)，它可以用可見光激發(fā)，信號將在紅外線中被檢測到。這項(xiàng)創(chuàng)新可以降低電子設(shè)備的成本，并在紅外線中使用更便宜、更靈敏的探測器電磁波譜區(qū)。”

他們的最終目標(biāo)是使用他們在此處使用的相同概念開發(fā)一種便攜式水質(zhì)設(shè)備，根據(jù)每個(gè)地區(qū)的要求使其模塊化，并為聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的目標(biāo) 6：確保獲得水和使用便攜式且價(jià)格合理的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)所有人的衛(wèi)生。