基于TD-DFT引导的先进E-Eye传感技术用于环境、生物及食品样品中Fe、Cr、F和As的现场定量检测

本研究的目标是开发一种便携式即时检测设备，称为 e-Eye，该设备能够测量多基质样本中有毒物质的浓度。当前即时检测（POCT）设备面临的主要实验挑战在于其选择性，特别是在多基质样本中的选择性。

另一个挑战是极低浓度的检测。目前尚无法检测极低浓度的物质。最后一点是在多组分样本中检测特定分析物或特定靶标。

该本土研发的e-Eye传感器基本模仿了便携式EV可见光分光光度计。此处e-Eye代表光学传感器。该设备基于两个工作原理开发而成。

首先，了解心脏计量化学传感器的工作原理。其次，了解高精度光学传感器的工作原理。我们尝试理解本研究的基本原理，即与时间相关的密度函数理论概念，并将其应用于光学介体传感器。

我们的发明解决了从计算领域到传感器设备开发的基本基础性问题。我们如何进行开发，这一问题我们已经回答。并且基于这一基本工作原理，借助我们的概念，我们能够理解该系统的机制。

我们可以预测其选择性，也可以预测检测范围等各个方面。我们未来的目标是开发基于更高精度的传感器，以解决水质监测方面的问题。

它可应用于农业、环境以及医疗保健领域，并能够检测样品中某些生物体内的元素化合物。首先，根据目标分析物的基本化学性质，选择一种能够特异性识别该分析物的锁钥反应。

启动 Gaussian 09 程序，使用 Becke、3 参数、Lee-Yang-Parr（B3LYP）杂化方法以及洛斯阿拉莫斯国家实验室 2 倍双 Z 基组，以在涉及目标分析物的电子计算中获得更精确的结果。在 Gaussian 输入中添加 SCRF=PCM，选择水作为溶剂并确认设置，显示输入文件中几何结构等于连接性，并在连接性模块中包含成键原子列表。点击提交。

计算分子优化结构所需的基态能量。使用含时自洽场方法计算激发态电子跃迁，请求的态数为60个。采用相同的方法和溶剂模型，计算并导出预测的紫外吸收光谱。

采用B3LYP泛函和LANL2DZ基组进行基态密度泛函理论几何优化，以精修分子结构。导出110菲啰啉和亚铁离子的优化后结构，用于后续研究。取等体积的二水合柠檬酸三钠作为掩蔽剂、抗坏血酸作为pH优化剂以及110菲啰啉，转移至透明玻璃培养管中。

加入两毫升储备液，使总体积达到五毫升。将每个样品和标准品置于光程为一厘米的石英比色皿中，并在标准实验室条件下于室温进行所有测量。使用紫外-可见分光光度法，在250至750纳米范围内扫描，测定所有标准品和样品中的铁含量。

通过将扫描速度设置为中等来配置仪器参数以符合指定条件。将测量类型设为吸光度。将狭缝宽度调整为5纳米，并将检测器设为直接检测模式。

使用与样品相同水基质的空白样进行基线校正。记录紫外吸光度后，在510纳米处观察到最大吸收波长（Lambda max），证实了络合物的形成。实验开始前，需准备一个LDR、一个白色LED和LCD、一块微控制器或微处理器板，以及精密电阻。

使用三维打印的盒子，将LED与光敏电阻在比色皿插槽两侧正对放置。通过为LED安装一个3.3千欧的串联电阻，布置整洁的导线，并连接型号为11497的LCD，完成电路。将传感器通过一个分压电路与微控制器连接，该分压电路可将光敏电阻的阻值变化转化为可测量的电压信号。

通过在每个模拟输入端添加一个10千欧的串联或偏置电阻和一个1微法电容，构建低通网络，从而安装模拟噪声抑制滤波器。将元器件尽量靠近微控制器引脚放置，并布设较短的双绞信号线以提高稳定性。当原型电路原理图和布局最终确定并经过电气验证后，打印印刷电路板。

通过打开电子开关供电，并记录每个通道的传感器响应，即电阻值或转换后的电压值。观察LED发出的光穿过反应室的光路，以及光敏电阻检测透射光强度以对应亚铁离子信息的过程。将测得的电阻值与亚铁离子浓度相关联，绘制校准曲线，并将所得方程输入设备算法，以实现实时报告。

查看完整的电路图，以确认最终的布线和通道分配。然后打印并组装完成的设备外壳。在三维盒子中创建四个专用槽，用于在固定位置放置四个比色皿。

使用不透明的物理屏障在光学上隔离每个检测槽，并通过独立的发光二极管（LED）与光敏电阻对以及单独的分压电路在电学上进行隔离，以防止信号串扰。将每个检测槽固定分配给单一分析物。确保放置于各检测槽中的比色皿仅含有针对该分析物的特异性试剂。

打开主开关以接通电源，使四个LED同时亮起。让光敏电阻并行感应各分析物，并一次性显示所有通道的结果。该多路复用原型装置可准确量化花生样品中的总铁含量，检测结果与紫外-可见分光光度计高度一致，且在所有情况下均高于检测限。

使用多重检测原型装置测得的毛发样本中铬和氟化物水平与紫外-可见光谱法的测量结果相当。布拉马普特拉河水样中的砷含量随样本编号逐步升高，并且该多重检测原型装置与紫外-可见光谱系统均能可靠检测到这一趋势。