技术演示设计中使用的概念：识别当地人口的水质问题，修改棉花以发出指示氟化物含量的光，技术演示设计和构建，以及将氟化物水平转移到要处理的智能手机并分享。图片来源：2021，信州大学木村实验室

联合国可持续发展目标第 6 项解决了所有人获得清洁水和卫生设施的需求。在世界范围内，三分之一的人无法获得安全的饮用水，五分之二的人没有使用肥皂和水的基本洗手设施。

水质还与溶解元素有关。在氟化物的情况下，建议控制量以保护牙齿，例如包含在牙膏中。较高的水平会导致氟中毒，干扰牙釉质的形成，纠正骨骼的生长，并导致脊柱和关节的严重畸形。在没有适当供水网络的农村地区，水中氟化物浓度较高的发生率较高。

水源中的氟化物具有地质成因而非人为来源——水中的氟化物浓度由河床中的地质构造决定。因此，受影响地区的氟化物分布可能不均匀，安全和不安全氟化物水平的水源可能彼此接近。在这种情况下，当地居民可以通过配备特定设备来检测水中氟化物含量并帮助他们饮用安全水来解决氟化物问题。

氟化物检测设备成本中等偏高，需要培训才能有效使用。对于农村地区的人口来说，这笔费用是负担不起的。出于这些原因，信州大学木村睦美教授和 Eugenio Otal 博士领导的小组决定开发负担得起的便携式设备，可以以简单的方式以低成本检测氟化物。他们的研究最近发表在《Chemistry-A European Journal》上。开发的技术演示的成本约为 23 美元，但如果扩大生产，这个价格可以降低到一半以下。主要成本与对许多测定有用的电子设备有关。

基于镧系元素的金属有机框架 (MOF) 为氟化物传感提供了良好的平台，因为它们对氟化物具有高亲和力，并且在可见光谱中具有强发射。氟化物对镧系元素的强亲和力将 MOF 转化为相应的氟化物，从而淬灭镧系元素荧光。这种强度变化可用于确定饮用水中的氟化物含量。信州大学的研究人员选择棉花作为其亲水性的基材，可以与多孔 MOF 产生良好的协同作用，并可以很好地控制引入装置中的液体样品量，从而使结果具有可重复性并简化了以前使用的系统。

这些创新与该集团之前的发展相兼容，这些发展于今年 1 月发表在ACS-Sensors上。在上一篇文章中，他们展示了基于 Arduino 微控制器的电子平台，该平台使用智能手机作为电源和数据采集平台。这项创新消除了电池和屏幕，降低了成本，并允许将氟化物定量信息直接传输到智能手机。设备中使用的Arduino代码也可以根据当地人口的要求进行修改。

为了传输信息，开发了一个友好的图形界面（hello.fridie.de/zensorics-app/），它从智能手机 GPS收集氟化物定量数据、时间、日期和位置，并通过电子邮件、短信、 WhatsApp 或任何即时消息服务都将包含在安全用水地图中，以便与当地其他人口共享。

这个新颖的系统实现了 4.0 工业概念，它是 3D 可打印的、Arduino 可编程的、开源的，并且该设备可以本地生产和分布式。所有这些创新产生了一种低成本的设备，可以由未经培训的用户轻松操作。

下一步是实现性能更好的 MOF。实际系统使用 UV LED 来激发镧系元素 MOF 并检测绿色发射。第一作者 Eugenio Otal 说：“我们开发了这种 MOF 的改进，它可以用可见光激发，信号将在红外线中被检测到。这项创新可以降低电子设备的成本，并在红外线中使用更便宜、更灵敏的探测器电磁波谱区。”

他们的最终目标是使用他们在此处使用的相同概念开发一种便携式水质设备，根据每个地区的要求使其模块化，并为联合国可持续发展目标的目标 6：确保获得水和使用便携式且价格合理的设备，实现所有人的卫生。