本研究阐述了设计和开发一种E-Eye-Enable即时检测(POCT)设备的实验方案,用于检测环境样品、生物样品以及食品和饮料中的铁(Fe)、铬(Cr)、砷(As)和氟(F)。已检测近2000个样品,检测结果与金标准技术相符。
方法文章
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本研究阐述了设计和开发一种E-Eye-Enable即时检测(POCT)设备的实验方案,用于检测环境样品、生物样品以及食品和饮料中的铁(Fe)、铬(Cr)、砷(As)和氟(F)。已检测近2000个样品,检测结果与金标准技术相符。
本文演示了设计和开发一种配备电子眼(E-Eye)的多重化即时检测(POCT)试剂盒的逐步操作流程。在深入介绍设备硬件细节之前,我们采用时间依赖密度泛函理论(TD-DFT)来探究传感器的基本工作原理。TD-DFT 分析可获得目标物的 λmax 值,从而帮助确定在待测样本中检测污染物的最精确路径。TD-DFT 分析在 Gaussian 09 和 Gauss View 5.0 软件中完成。基于 λmax 值以及发光二极管/光敏电阻(LED/LDR)原理,研制出一种名为电子眼(E-Eye)的光学传感器。E-Eye 设备由一个 LED 和一个相对放置的 LDR 构成,并结合其他硬件组件,包括通过分压电路与微处理器连接的液晶显示器(LCD),该微处理器作为中央控制单元。首先,所有样本(环境、生物以及食品和饮料样本)均经过预处理,以将目标元素完全提取至水相中。随后在指定反应器中进行特异性(锁钥式)反应,并记录显示单元上的读数。此外,还自主研发了一种多重化设备,可同时检测 Fe、Cr、As 和 F。传感器的有效性已在超过 2000 个样本上进行了测试,并与金标准方法进行了比较。结果显示,针对环境、生物以及食品和饮料样本,检测准确率分别为 95.3%、94.7% 和 95.4%,具有良好的精密度。值得注意的是,砷传感器的性能已与原子吸收光谱法(AAS)结果进行了对比,而其他各项检测(即铁、铬和氟化物传感器)的结果则与紫外-可见光谱分析(UV-Vis)结果进行了比较。
重金属在维持地球生态系统中起着重要作用,而地球生态系统对人类生存至关重要1。然而,近年来工业发展以及对自然资源的不当利用,导致重金属成为食物链及其他生物必需品中的污染物,这对现代文明构成了严重警示。其原因在于重金属可在生物体和非生物体中发生生物累积,且具有不可降解的特性2。为此,美国政府长期以来持续对食品等级(包括婴儿食品)进行评估,以监测食品质量。总体而言,他们在全美范围内分析了超过22种元素和3200多个样品3。
在许多情况下,重金属含量超过了世界卫生组织、美国食品药品监督管理局以及2022年7月发布的《总膳食研究》报告(TDS)所推荐的限值。欧洲的水体和土壤也得出了类似的结论4,5。除了土壤和水体之外,重金属的大量存在也对生命构成威胁6,7。值得注意的是,印度是一个依赖河流的国家,最近的一项调查显示,超过43%的河流中多种重金属及其他污染物含量已达到令人担忧的水平8,9。在该计划8中,已有超过2.75亿名儿童的血铅水平高于5 µg/dL,这一数值被认为不安全。
上述讨论表明,为了全球社会的福祉,有必要对重金属及其他有害化学物质进行持续监测。目前有多种用于检测和测定重金属浓度的技术,例如紫外-可见光谱法(UV-Vis)、原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体-原子发射光谱法(ICP-AES)和电感耦合等离子体-质谱法(ICP-MS)等(美国食品药品监督管理局,《总膳食研究》报告(TDS),2022年7月)3。然而,这些方法依赖高端设备和熟练技术人员,限制了其在重金属快速现场检测中的应用。上述段落所述情况迫切需要一种操作简便、快速且准确的重金属现场检测工具包,以帮助监测土壤、空气和水体的质量。
人们已多次尝试开发上述用于重金属的现场检测试剂盒10,11。其中一些12,13,14,15已取得成功,而另一些13则未能满足世界卫生组织(WHO)建议的要求。其中少数为数字传感器,可直接显示被测物浓度的数字值16,17,18;其余多为定性传感器,例如基于纸张的微流控传感器,类似于用于妊娠检测的试纸,仅能标记样品中目标污染物的存在与否19。目前市场上已有多个品牌、型号和规格的试剂盒可供购买,可常规用于检测水样及其他样品中的重金属。这些试剂盒通常根据关键性能指标进行分级,包括检测范围、单次检测成本、灵敏度、操作可靠性以及所需的技术技能水平。例如,在铬的检测方面,大多数商用试剂盒的检测范围最高为1 mg/L,少数可达10 mg/L(Chemetrics20),但其检出限(LODs)和最小读数通常高于世界卫生组织(WHO)推荐的安全饮用水阈值。以HACH21试剂盒为例,其检测范围为(5–100)mg/L和(50–1000)mg/L,虽覆盖范围较广,但在低浓度下灵敏度较差(最小读数≥5 mg/L),且每份样品成本高达
125.95,需具备基本实验技能并通过颜色变化进行目视判读。Hanna Hi384622和Himedia23试剂盒虽然价格更为低廉(每份样品分别为
51.00和
375.00),但其灵敏度仍有限,其中Hanna试剂盒的最小读数为0.2 mg/L。Merck24和Chemetrics20试剂盒采用数字读出方式,检测范围覆盖中等到较高水平(2–10 mg/L),但单次检测成本显著更高(最高达
823.20),且灵敏度仍不足以满足监管合规要求。BARC试剂盒25虽操作简便,适用于对水质安全进行快速现场分类,但也存在相对较高的检测限(≥0.05 mg/L),且输出结果为定性而非定量。
同样,对于氟化物检测,市面上可获得的试剂盒如 Aquasol AE21026(检测范围 0.1–2 mg/L 和 120 mg/L)和 Himedia27(检测范围 0–2.5 mg/L)是成本最低的选择之一,每份样品分别仅需
6 和
11.60,但这些方法依赖于目视比色法,其灵敏度限值和样品分析所需时间均未明确说明。中等价位的选项包括 Merck 比色法28(检测范围 0–0.8 mg/L,每份样品
292.20)和光度法29试剂盒(检测范围 0.1–2.5 mg/L,每份样品
456),后者提供数字读数,但成本更高。一些较为复杂的系统,如 Hanna Hi73930(检测范围 20–20 mg/L,每份样品
362)和 Prerana Laboratories31(每份样品
150),在检测时间(Hanna 需 ≥1 分钟,Prerana 需 10–30 分钟)与分析精度之间存在权衡,尽管两者均缺乏明确的灵敏度指标。现有的试剂盒要么以牺牲灵敏度为代价追求低成本,要么以较高成本换取更高的精确性,而中等价位产品的检测限则最高可达 20 mg/L,灵敏度表现不佳。
市售铁检测试剂盒性能各异,在灵敏度、成本和操作复杂性之间存在显著权衡。AE30332采用目视比色法,检测范围为0–2 mg/L,每份样品成本为
14。类似地,另一款用于铁检测的试剂盒HI383433检测范围为0–5 mg/L(每份样品
52),最小刻度为1 mg/L,检测时间≥4分钟,需具备执行基础实验的能力。Insa tech34适用于高浓度检测,范围为50–800 mg/L,但其成本高、灵敏度较低(≥50 mg/L),且检测耗时长达75分钟,限制了其在常规用途中的应用。Prerana Laboratories试剂盒35(检测范围0–1 mg/L,每份样品
28)可提高低浓度检测能力(灵敏度达0.1 mg/L),但分析时间需30分钟。Hach的试纸条36(检测范围0–5 mg/L,成本未注明)最小检测间隔可达0.15 mg/L,但依赖于主观的颜色判读。
市售砷检测试剂盒在分析性能、成本和操作复杂性方面表现出显著差异。BARC 野外试剂盒37(0–0.01 mg/L,每样本
5–10 元)采用无毒试剂,通过 10 分钟比色分析实现农村地区的可及性,但依赖主观的视觉比对。AE40838(0–0.1 mg/L / 0–3 mg/L,每样本
77.40 元)注重便携性和对美国公共卫生协会(APHA)标准的符合性,但其灵敏度未明确说明。Lovibond 试剂盒39(0–0.5 mg/L,每样本
500 元)通过安全且抗硫化物干扰的检测方案,可将砷的检出限降至 5 µg/L,,符合世界卫生组织(WHO)指南,从而实现更高的灵敏度。高端系统如 Cole-Parmer ITS 试剂盒40(检出限 2 µg/L,每样本
480 元)和 Palintest 目视试剂盒41(200 次检测/560 英镑,约合每样本
280 元)通过美国环保署(EPA)验证或三重滤光系统提供更高的精确度,但成本较高。
市售的铬、氟化物、铁和砷检测试剂盒在灵敏度、成本和操作可靠性方面存在关键局限性,限制了其在野外环境中的应用。对于铬检测,HACH(最小读数≥5 mg/L)和Hanna Hi3846(≥0.2 mg/L)等商业试剂盒的检测限高于世界卫生组织(WHO)标准(0.05 mg/L),单次测试成本为
51–823元,并依赖易出错的目视判读。类似地,氟化物检测试剂盒如AE210(分辨率为0.1 mg/L)和光度法试剂盒(每样本
456元)虽侧重于低成本或高精度,但无法实现快速且低于WHO限值的检测。铁检测则受限于较高的最小读数(HI3834:1 mg/L;试纸法:0.15 mg/L)和较长的分析时间(Prerana:30分钟)。而砷检测试剂盒如BARC(检出限10 µg/L)和Lovibond(5 µg/L)在低于70 µg/L时可靠性不足,且成本高昂(最高达
500元/次)。本研究所提出的多组分分析设备通过在超灵敏检测、成本效益、操作便捷性以及快速现场分析方面的重大突破性进展,弥补了上述缺陷。该设备克服了灵敏度与成本之间的权衡难题,并在复杂基质中表现出稳健的性能,解决了长期存在的文献空白和技术瓶颈,尤其适用于资源匮乏地区对水质监测的可负担性、精确性和易用性的迫切需求。其具备数字即时检测功能,可判断是否符合标准,标志着环境与医疗健康分析领域的一次范式转变,克服了现有商业产品中分散的、针对单一分析物的解决方案的局限性。
在当前形势下,社会迫切需要一种能够实时播报各类污染物实际浓度的传感器。现有的研究工作和即时检测(POCT)试剂盒在一定程度上满足了这一需求。然而,仍亟需开发一种性能可与紫外-可见光谱仪(UV-Vis)、原子吸收光谱仪(AAS)或电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)等高端设备相媲美的、稳健可靠的POCT试剂盒,且具备多污染物同步检测能力。本研究旨在开发一种稳健的方法及相应的POCT试剂盒以实现该目标。本文报道了一种用于检测环境、生物以及食品和饮料样品中多种重金属的方法及POCT试剂盒。通过采用并实施样品预处理技术,结合自主研发的光学传感器,实现了对铁(Fe)、砷(As)、铬(Cr)和氟(F)的定量分析。该光学传感器基于LED-LDR工作原理构建,因此被称为E-Eyes赋能的POCT试剂盒。本研究所开发的多通道POCT装置在实地水质监测中展现出强大的实用性,尤其适用于资源有限的地区。每个检测通道均采用特异性试剂和优化条件,针对特定分析物进行检测。Fe2+检测的有效浓度范围为0.01–5.0 mg/L,检出限(LOD)为0.017 mg/L。铬(Cr)通道采用二苯基卡巴肼化学法,动态检测范围为10–500 µg/L,检出限为10.78 µg/L。氟离子检测基于Fe-SCN络合物褪色法,可在0.5–47.5 mg/L范围内实现可靠检测,检出限为0.46 mg/L。砷(As)检测基于钼蓝反应,在5–100 µg/L范围内有效,检出限为8 µg/L。所有反应均在室温(25 ± 2 °C)下进行,整个检测过程在5分钟内完成,无需复杂仪器或专业技术人员操作。上述特性表明该方法符合世界卫生组织(WHO)水质标准,具有良好的实际应用价值。在实验室开展反应前,采用时间依赖密度泛函理论(TD-DFT)对每种分析物的特异性化学反应(锁钥机制)进行了理论建模。该TD-DFT分析还预测了各反应中试剂及其主要产物的可能最大吸收波长(λmax),为传感器的设计提供了理论基础,并确保了其潜在的有效性。目前已完成E-Eyes赋能POCT试剂盒的原型开发,并成功将其转化为实际设备。整个工作流程如图1所示。该设备已对超过2000个样品进行了测试,并将结果与UV-Vis、ICP-MS和AAS的检测结果进行对比。在所有测试案例中,设备表现高度满意,偏差最小为1.25%,最大为6.25%。
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1. 反应传感机制的计算与验证

2. 比色化学传感器的开发
3. E-Eye-Enable POCT 试剂盒原型的设计与制备
4. 多重检测装置的开发
注意:单次检测多种分析物需要多个通道。为此,原型设备中已安装并集成了四个通道。
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本文讨论了一种用于设计和开发可检测多种样品中 Fe、Cr、As 和 F 的光学多重检测 POCT 试剂盒的实验方案。 图1 展示了整个流程的算法。比色化学传感器的开发基于TD-DFT模拟的结果。该化学传感器与一种自主研制的光学传感器相集成。最终的装置是一种E-Eye赋能的POCT数字传感器。比色化学传感器的数值优化如图所示。 图2传感器的性能取决于菲啰啉亚铁的形成。为获得菲啰啉亚铁,应遵循特定的步骤顺序,如图所示。 图3A将TD-DFT结果与实验测得的紫外-可见光谱数据进行比较 图3B开发了一种光学数字传感器,用于量化比色化学传感器的响应。制造E-Eye-Enable即时检测(POCT)试剂盒所需的各种步骤及内部电路图如图所示。 图4A- C. 图4D 显示了所制备器件的实际图像。E...
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E-Eye POCT 与金标准(UV-vis)的对比验证结果如图所示 图5为此目的,使用添加了 Fe 的样品2+ 制备了样品,并使用自主研发的E-Eye POCT试剂盒和紫外-可见分光光度计对浓度进行三重测量,报告结果为平均值。比较两种检测结果后发现,该设备与金标准相符。结果证明,本土开发的E-Eye-Enable POCT试剂盒能够成功测定水样中的总铁含量。
图7展示了多重检测装置对实际样品的验证结果。为此,选择了以下样品:用于铁检测的食品样品(花生)(图7A)、用于铬检测的生物样品(毛发提取物)(图7B)、用于氟化物检测的软饮料(图7C)以及用于砷检测的环境样品(布拉马普特拉河水)(图7D)。样品经预...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢印度电子和信息技术部SWASTHA项目(资助号5 (1)/2022-NANO)、印度医学研究委员会卓越中心(资助号5/3/8/20/2019-ITR)以及印度政府提供的资金支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1,10-邻菲罗啉一水合物 (C12H8N2.H2O) | 5144-89-8 | Sigma Aldrich, India | |
| 1,5-二苯基卡巴肼 (C13H14N4O) | 140-22-7 | Sigma Aldrich, India | |
| 丙酮 (C3H6O) | 67-64-1 | Sigma Aldrich, India | |
| 四水合钼酸铵 ((NH?)?Mo?O??·4H?O) | 12054-85-2 | Sigma Aldrich, India | |
| Arduino UNO 开发板 | SKU A000066 | Robu.in | |
| 抗坏血酸 (C6H8O6) | 50-81-7 | Himedia, India | |
| 面包板 | SKU: 24441 | Robu.in | |
| 氯化铁 (FeCL3) | 7705-08-0 | Himedia, India | |
| 七水合硫酸亚铁 (FeSO4.7H2O) | 7782-63-0 | Himedia, India | |
| 盐酸 (HCl) | 7647-01-0 | Finar, India | |
| 过氧化氢 (H2O2) | 7722-84-1 | Finar, India | |
| 跳线 | SKU: 44281 | Robu.in | |
| 发光二极管 (LED) | SKU: R110553 | Robu.in | |
| 光敏电阻 (LDR) | SKU: 1496181 | Robu.in | |
| 液晶显示器 (LCD) | SKU: 11497 | Robu.in | |
| 超纯水 (18.2 MΩ) | |||
| 万用表 | SKU: 1720374 | Robu.in | |
| 硝酸 (HNO3) | 7697-37-2 | Finar, India | |
| 磷酸盐缓冲液 (PBS) | SKU: M1866 | Himedia, India | |
| 重铬酸钾 (K2Cr2O7) | 7778-50-9 | Himedia, India | |
| 电位器 | SKU: 790452 | Robu.in | |
| 电阻器 | SKU: R225238 | Robu.in | |
| 七水合砷酸钠 (Na2HAsO4·7H2O) | 10048-95-0 | Himedia, India | |
| 磷酸二氢钠 (NaH2PO4) | 13472-35-0 | Himedia, India | |
| 氟化钠 (NaF) | 7681-49-4 | Himedia, India | |
| 硫氰酸钠 (NaSCN) | 540-72-7 | Himedia, India | |
| 硫酸 (H2SO4) | 7664-93-9 | Finar, India | |
| 二水合柠檬酸三钠 (Na3C6H5O7.2H2O) | 03-04-6132 | Himedia, India |
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