釜山大学开发“用颜色读懂水质污染”硝酸性氮实时检测传感器
Oh Jinwoo教授团队利用过渡金属比色传感器阵列精确检测硝酸性氮
无需传统分析法复杂预处理即可检测海水和地下水 实现水质与污染监测
釜山大学（校长 Choi Jaewon）18日表示，纳米能源工学科 Oh Jinwoo 教授研究团队开发出一项技术，无需前处理过程即可在现场检测引发水质污染的硝酸性氮。
“硝酸性氮（NO₃-N）”是富营养化（富營養化，指水体中氮、磷等营养盐过量供给，导致浮游植物等藻类或水生植物过度繁殖的现象）的主要成因之一。其浓度越高，越会引发氮循环失衡并扰乱生态系统。在水产养殖中，这会导致养殖鱼类生长速度下降，甚至引发大规模死亡；一旦进入婴幼儿体内，还可能导致“蓝婴症”等严重风险。
为监测硝酸性氮，虽然已开发出多种技术，但由于硝酸性氮在热力学上处于较为稳定的状态，采用一般化学方法难以直接检出，因此必须进行前处理。此外，各类矿物质的干扰会大幅降低测量准确度，现有测定方法耗时较长，缺乏能够进行实时定量分析的技术，因此对新型传感器技术的需求日益凸显。
本次研究利用过渡金属基比色传感器，开发出一种可实时测定硝酸性氮浓度的传感器。与以往依赖化学分析法不同，该传感器通过颜色变化来测定硝酸性氮的浓度，因而具有很高的实用性。
比色传感器是利用特定物质发生化学反应后产生颜色变化这一原理的传感器。
为此，研究团队将第四周期过渡金属（Mn、V、Fe、Co、Cr、Cu、Ni）与溶剂及添加剂按照特定比例混合，随时间测量传感器的颜色变化，并选取颜色变化随硝酸性氮浓度线性增加的传感器进行组合构成阵列。为验证传感器性能，研究团队还基于颜色变化数据，实施层次聚类分析和组分分析，对传感器能力进行评估。其特点在于，不仅考察传感器单一时刻的颜色变化，还利用随时间变化的颜色数据，这一点与其他比色传感器有所区别。
第四周期过渡金属是指在元素周期表中属于第四周期的过渡金属元素（原子序数21至30），包括 Sc（钪）、Ti（钛）、V（钒）、Cr（铬）、Mn（锰）、Fe（铁）、Co（钴）、Ni（镍）、Cu（铜）、Zn（锌）。这些元素可以呈现多种氧化态，具有易发生颜色变化的特性，并在催化作用以及氧化·还原反应中发挥重要作用。它们形成配合物的能力很强，因此广泛应用于化学传感器、催化剂以及生物金属蛋白等领域。
研究团队还构建了大规模颜色变化模式数据库，开发出一种可扩展的选择性传感器系统，不仅能检测硝酸性氮，还可感知海水和地下水中的主要污染物。若应用基于机器学习的模式分析，该系统有望发展为可同时分析多种污染物的下一代现场诊断技术。
釜山大学教授 Oh Jinwoo 表示：“本研究利用过渡金属基比色传感器阵列，构建了能够精密检测硝酸性氮的系统，无需采用传统化学分析法中复杂的前处理步骤，即可快速检测海水和地下水中的硝酸性氮，未来有望应用于水质监测和环境污染检测技术。”
本次利用过渡金属基比色传感器阵列，在无前处理条件下高效检测硝酸性氮的技术相关论文，已于2月2日发表在国际学术期刊《ACS Sensors》上。
本研究由釜山大学纳米能源工学科 Oh Jinwoo 教授和纳米生物融合研究所 Jung Taeyoung 博士担任通讯作者，纳米融合技术学科博士课程研究生 Lee Junggeun 担任第一作者完成。研究获得海洋水产部出资的韩国海洋科学技术振兴院（KIMST）资助，以及2024年度科学技术信息通信部出资的韩国研究财团创新研究中心（Innovation Research Center，IRC）项目经费支持，由釜山大学、GenLife、Fishcare、Bluegen合作完成。
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