Methodenartikel

TD-DFT-geführte, fortschrittliche E-Eye-Sensing-Technik für die Vor-Ort-Quantifizierung von Fe, Cr, F und As in Umwelt-, Bio- und Lebensmittelproben

DOI:

10.3791/68767

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19. September 2025

 ,  ,  , 
1Department of Chemical Engineering, and Center for Nanotechnology, Indian Institute of Technology Guwahati, 2Department of Chemical Engineering, K.K. Wagh Institute of Engineering Education and Research

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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In dieser Arbeit wurde das Protokoll für das Design und die Entwicklung eines E-Eye-Enable-POCT-Geräts zum Nachweis von Fe, Cr, As und F in Umweltproben, biologischen Proben sowie Lebensmitteln und Getränken diskutiert. Fast 2000 Proben wurden getestet, und die Ergebnisse stimmen mit der Goldstandard-Technik überein.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieses Dokument zeigt das Schritt-für-Schritt-Protokoll für das Design und die Entwicklung eines E-Eye-fähigen Multiplex-Point-of-Care-Testkits (POCT). Wir verwenden die zeitabhängige Dichtefunktionstheorie (TD-DFT), um das grundlegende Funktionsprinzip der Sensoren zu untersuchen, bevor wir auf die Details der Hardware des Geräts eingehen. Die TD-DFT-Analyse gibt dasλ max des Zielelements an, was dazu beiträgt, den genauesten Weg zum Nachweis des Schadstoffs in den Analyten zu finden. Die TD-DFT-Analyse wird in der Software Gaussian 09 und Gauss View 5.0 durchgeführt. Basierend auf dem λmax-Wertund dem LED/LDR-Prinzip (Light Emitting Diode/Light Dependent Resistor) wurde ein optischer Sensor entwickelt, der als elektronisches Auge (E-Eye) bezeichnet wird. Das E-Eye-Gerät wurde mit einer LED, einem gegenüberliegenden LDR und anderer Hardware hergestellt, einschließlich eines Flüssigkristalldisplays (LCD), das mit einem Mikroprozessor über einen Spannungsteiler verbunden ist und als zentraler Mikroprozessor fungiert. Zunächst wurden alle Proben (Umwelt-, Bio- sowie Lebensmittel- und Getränkeproben) vorverarbeitet, um alle Zielelemente in der wässrigen Phase zu extrahieren. Die spezifische Reaktion (Schlüssel und Schloss) wurde in dem spezifizierten Reaktor durchgeführt, und die in der Anzeigeeinheit beobachteten Messwerte wurden aufgezeichnet. Es wurde auch ein lokal gemultiplextes Gerät hergestellt, um Fe, Cr, As und F gleichzeitig zu detektieren. Die Wirksamkeit der Sensoren wurde an mehr als 2000 Proben getestet und mit den Goldstandard-Methoden verglichen. Eine gute Präzision wurde mit einer Genauigkeit von 95,3 %, 94,7 % und 95,4 % in Bezug auf die Proben von Umwelt-, Bio- und Lebensmittel- und Getränkeproben bestätigt. Es ist wichtig zu beachten, dass die Leistung des Arsensensors mit den Ergebnissen der Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) verglichen wurde und alle anderen Ergebnisse, d. h. Sensoren für Eisen, Chrom und Fluorid, mit den Ergebnissen der UV-Vis-Analyse verglichen wurden.

Einleitung

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Schwermetalle spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Ökosystems der Erde, das für den Menschen unerlässlich ist1. Im Gegenteil, das industrielle Wachstum und der Umgang mit natürlichen Ressourcen haben in jüngster Zeit dazu geführt, dass Schwermetalle zu einer Kontamination der Nahrungskette und anderer lebenswichtiger Güter von Lebewesen geworden sind, was eine ernsthafte Besorgnis für die moderne Zivilisation darstellt. Dies ist auf ihre Bioakkumulation in lebenden und nicht lebenden Körpern und die Art der Nichtabbaubarkeitzurückzuführen 2. In diesem Zusammenhang hat die US-Regierung seit langem kontinuierlich die Lebensmittelqualität, einschließlich Babynahrung, bewertet, um die Lebensmittelqualität zu überwachen. Insgesamt analysierten sie mehr als 22 Elemente und mehr als 3200 Proben in ihrem Land3.

In vielen Fällen überschritten die Schwermetallwerte den von der WHO und der US-amerikanischen Food and Drug Administration sowie im Total Diet Study Report (TDS) vom Juli 2022 empfohlenen Grenzwert. Eine ähnliche Schlussfolgerung kann für die europäischen Gewässer und Böden gezogen werden 4,5. Neben Boden und Wasser gefährdet das starke Vorhandensein von Schwermetallen das Leben 6,7. Es ist wichtig zu beachten, dass Indien ein Flussland ist, und eine kürzlich durchgeführte Umfrage zeigt, dass mehr als 43 % der Flüsse einen alarmierenden Gehalt an vielen Schwermetallen und anderen Schadstoffen aufweisen 8,9. In diesem Programm8 wurde akzeptiert, dass der Bleispiegel im Blut bei mehr als 27,5 Millionen Kindern mehr als 5 μg/dl beträgt, was als unsicher gilt.

Die obigen Diskussionen beschreiben die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Überwachung von Schwermetallen und anderen gefährlichen Chemikalien für das Wohlergehen der globalen Gesellschaft. Es gibt verschiedene Techniken zur Detektion und Konzentrationsmessung von Schwermetallen, wie z. B. UV-Vis-Spektroskopie, AAS, induktiv gekoppelte Plasma-Atomemissionsspektroskopie (ICP-AES) und induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) usw. (US Food and Drug Administration, Total Diet Study Report (TDS), Juli 2022)3. Der Bedarf an High-End-Geräten und qualifizierten Arbeitskräften schränkt diese Methoden zum schnellen und vor-Ort-Nachweis von Schwermetallen ein. Die im obigen Absatz erörterte Situation erfordert ein benutzerfreundliches, schnelles und genaues Vor-Ort-Detektionskit für Schwermetalle, das zur Überwachung der Qualität von Boden, Luft und Wasser beitragen kann.

Es gab viele Versuche, die bereits erwähnten Vor-Ort-Nachweiskits10,11 für Schwermetalle zu entwickeln. Einige von ihnen12, 13, 14, 15 waren erfolgreich, und einige13 haben die Anforderungen der WHO-Empfehlungen nicht erfüllt. Einige davon sind digitale Sensoren, die die digitalen Werte der Konzentrationen der Analyten 16,17,18 anzeigen. Der Rest sind qualitative Sensoren wie papierbasierte mikrofluidische Sensoren, die für den Schwangerschaftstest verwendet werden und das Vorhandensein und Fehlen der Zielschadstoffe in der Probe markieren können19. Es gibt mehrere Kits verschiedener Marken, Marken und Modelle, die auf dem Markt erhältlich sind und routinemäßig eingesetzt werden können, um das Vorhandensein von Schwermetallen in Wasser und anderen Proben zu testen. Diese Kits werden in der Regel auf der Grundlage wichtiger Leistungsindikatoren wie Nachweisreichweite, Kosten pro Probe, Empfindlichkeit, Betriebssicherheit und den erforderlichen technischen Fähigkeiten bewertet. Für den Nachweis von Chrom bieten die meisten kommerziellen Kits beispielsweise Nachweisbereiche von bis zu 1 mg/l und einige wenige bis zu 10 mg/l (Chemetrics20), aber ihre Nachweisgrenzen (LODs) und Mindestwerte liegen in der Regel über dem von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfohlenen Schwellenwert für sicheres Trinkwasser. Zum Beispiel deckt das HACH21 Kit (5-100) und (50-1000) mg/L zwar einen breiten Bereich ab, zeigt aber bei niedrigen Konzentrationen (geringste Anzahl ≥5 mg/L) eine geringe Sensitivität und kostet figure-introduction-1125,95 pro Probe, was grundlegende experimentelle Fähigkeiten und visuelle Interpretation anhand von Farbänderungen erfordert. Die Hanna Hi384622 und Himedia23 Kits sind zwar günstiger (figure-introduction-251,00 bzwfigure-introduction-3. 375,00 pro Probe), weisen aber auch eine begrenzte Empfindlichkeit auf, wobei die geringste Zählung des Hanna-Kits bei 0,2 mg/l liegt. Merck24 und Chemetrics20 Kits verwenden digitale Anzeigen und reichen von mittleren bis hohen Nachweisbereichen (2-10 mg/L). Dennoch sind ihre Kosten pro Probe deutlich höher (bis zu figure-introduction-4823,20), und ihre Empfindlichkeit ist für die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften nach wie vor suboptimal. Das BARC-Kit25 ist zwar benutzerfreundlich und eignet sich für eine schnelle Feldkategorisierung der Wassersicherheit, weist aber auch eine relativ hohe Nachweisgrenze (≥0,05 mg/L) und eine qualitative statt quantitative Ausgabe auf.

In ähnlicher Weise gehören die kommerziell erhältlichen Kits für den Fluoridnachweis wie Aquasol AE21026 (0,1-2 mg/l und 120 mg/l) und Himedia27 (0-2,5 mg/l) mit figure-introduction-56 figure-introduction-6bzw. 11,60 pro Probe zu den günstigsten, beruhen jedoch auf einer visuellen Farbmetrik mit nicht näher spezifizierten Empfindlichkeitsgrenzen und Zeitaufwand für die Analyse der Probe. Zu den Optionen für den mittleren Bereich gehören die Merck Colourimetric28 (Nachweisbereich 0-0,8 mg/L, figure-introduction-7292,20 pro Probe) und Photometric29 Kits (Nachweisbereich 0,1-2,5 mg/L, figure-introduction-8456 pro Probe), wobei letztere digitale Anzeigen zu höheren Kosten bieten. Weniger ausgefeilte Systeme wie das Hanna Hi73930 (Nachweisbereich 20-20 mg/L, figure-introduction-9362 pro Probe) und Prerana Laboratories31 (figure-introduction-10150 pro Probe) weisen Kompromisse zwischen der Nachweiszeit (≥1 Minute für Hanna gegenüber 10-30 Minuten für Prerana) und der analytischen Präzision auf, obwohl beide keine expliziten Empfindlichkeitsspezifikationen haben. Bestehende Kits legen entweder Wert auf Erschwinglichkeit bei kompromissloser Empfindlichkeit oder verbesserter Präzision zu höheren Kosten, wobei die Nachweisgrenzen im mittleren Bereich bis zu 20 mg/l beeinträchtigt werden.

Im Handel erhältliche Eisendetektionskits weisen unterschiedliche Leistungsmerkmale auf, mit erheblichen Kompromissen zwischen Empfindlichkeit, Kosten und betrieblicher Komplexität. Das AE30332 bietet einen Nachweisbereich von 0-2 mg/l bei figure-introduction-1114 pro Probe unter Verwendung einer visuellen kolorimetrischen Technik. In ähnlicher Weise deckt ein anderes solches Kit für den Eisennachweis, das HI383433, 0-5 mg/l (figure-introduction-1252 pro Probe) mit einer Mindestzahl von 1 mg/l und einer Nachweiszeit von ≥ 4 min ab, was die Durchführung grundlegender Experimente erfordert. Der Insa tech34 eignet sich für die Anwendung der hochkonzentrierten Detektion im Bereich von 50-800 mg/L, obwohl seine hohen Kosten und seine Empfindlichkeit (≥50 mg/L) mit einer Nachweiszeit von 75 Minuten seine Anwendung für allgemeine Zwecke einschränken. Das Prerana Laboratories Kit35 (0-1 mg/l Nachweisbereich, figure-introduction-1328 pro Probe) verbessert den Nachweis niedriger Konzentrationen (0,1 mg/l Empfindlichkeit), benötigt aber eine Analysezeit von 30 Minuten. Die Teststreifen36 von Hach (0-5 mg/l Nachweisbereich, nicht näher spezifizierte Kosten) erreichen eine geringste Nachweiszahl von 0,15 mg/l, verlassen sich jedoch auf eine subjektive Farbinterpretation.

Kommerzielle Arsen-Detektionskits weisen eine erhebliche Variabilität in Bezug auf analytische Leistung, Kosten und betriebliche Komplexität auf. Das BARC-Feldkit37 (0-0,01 mg/L, figure-introduction-145-10 pro Probe) verwendet ein ungiftiges Reagenz und eine 10-minütige kolorimetrische Analyse, die eine ländliche Zugänglichkeit bietet, sich aber auf einen subjektiven visuellen Vergleich stützt. Der AE40838 (0-0,1 mg/L/0-3 mg/L, figure-introduction-1577,40 pro Probe) legt Wert auf Portabilität und APHA-Konformität, obwohl seine Sensitivität nicht spezifiziert bleibt. Eine höhere Empfindlichkeit wird durch das Lovibond-Kit39 (0-0,5 mg/L, 500 pro Probe) erreicht, figure-introduction-16das Arsen bei 5 μg/L nachweist und damit den WHO-Richtlinien entspricht, durch ein sicheres, sulfidresistentes Protokoll. Premium-Systeme wie das Cole-Parmer ITS kit40 (2 μg/l Nachweisgrenze, figure-introduction-17480 pro Probe) und das Palintest Visual Kit41 (200 Tests/560 £, ~figure-introduction-18280 pro Probe) bieten eine verbesserte Präzision mit EPA-Verifizierung oder Dreifachfiltersystemen, verursachen aber hohe Kosten.

Im Handel erhältliche Detektionskits für Chrom, Fluorid, Eisen und Arsen weisen Einschränkungen bei der kritischen Empfindlichkeit, den Kosten und der Betriebszuverlässigkeit auf, die ihren Nutzen im Feld beeinträchtigen. Für Chrom arbeiten kommerzielle Kits wie HACH (geringste Anzahl ≥5 mg/L) und Hanna Hi3846 (≥0,2 mg/L) oberhalb des WHO-Grenzwerts (0,05 mg/L), mit Kosten zwischen figure-introduction-1951 und 823 pro Test und Abhängigkeit von fehleranfälliger visueller Interpretation. In ähnlicher Weise legen Fluorid-Kits wie AE210 (0,1 mg/l Auflösung) und Photometric (figure-introduction-20456 pro Probe) Wert auf Erschwinglichkeit oder Präzision, aber es fehlt an einem schnellen, sub-WHO-konformen Nachweis. Der Eisennachweis leidet unter hohen Mindestwerten (HI3834: 1 mg/L; Streifen: 0,15 mg/L) und verlängerten Analysezeiten (Prerana: 30 min), während Arsen-Kits wie BARC (10 μg/L LOD) und Lovibond (5 μg/L) mit Zuverlässigkeitslücken von unter 70 μg/L und hohen Kosten (bis zu figure-introduction-21 500/Test) konfrontiert sind. Das vorgeschlagene Multi-Analyt-Gerät schließt diese Lücken durch signifikante transformative Fortschritte in den Bereichen hochempfindliche Detektion, Kosteneffizienz, Benutzerfreundlichkeit sowie schnelle und Vor-Ort-Analyse. Durch die Überbrückung des Kompromisses zwischen Empfindlichkeit und Kosten und die Bereitstellung einer robusten Leistung in komplexen Matrizen schließt dieses Gerät langjährige Lücken in der Literatur und Lücken bei der Überwachung der Wasserqualität vor Ort, insbesondere in Regionen mit geringen Ressourcen, in denen Erschwinglichkeit, Präzision und Benutzerfreundlichkeit von größter Bedeutung sind. Die Fähigkeit, den Compliance-Grad mit digitaler Point-of-Care-Funktionalität zu ermitteln, stellt einen Paradigmenwechsel in der Umwelt- und Gesundheitsanalytik dar und überwindet die Einschränkungen fragmentierter, analytspezifischer kommerzieller Lösungen.

Im gegenwärtigen Szenario verlangt die Gesellschaft nach einem Sensor, der die tatsächliche Konzentration der verschiedenen Schadstoffe ausstrahlt. Die bestehenden Arbeits- und Point-of-Care-Testkits (POCT) erfüllen diese Anforderung. Daher besteht ein Bedarf an einem robusten POCT-Kit mit einer Leistung, die mit der von High-End-Geräten wie UV-Vis, AAS oder ICP-MS usw. vergleichbar ist und in der Lage ist, mehrere Schadstoffe zu erkennen. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, eine robuste Methode und POCT-Kits zu entwickeln, die diesem Zweck dienen. Hier wurden eine Methode und ein POCT-Kit zum Nachweis verschiedener Schwermetalle in Umwelt-, Bio- und Lebensmittel- und Getränkeproben entwickelt. Die Vorverarbeitungstechnik der Proben wurde übernommen und unter Verwendung des im Inland entwickelten optischen Sensors zur Quantifizierung von Fe, As, Cr und F implementiert. Der optische Sensor wurde auf Basis des Funktionsprinzips von LED-LDR entwickelt; deshalb wird es als E-Eyes-fähiges POCT-Kit bezeichnet. Das in dieser Arbeit entwickelte Multiplex-POCT-Gerät zeigt eine starke praktische Anwendbarkeit für die Überwachung der Wasserqualität vor Ort, insbesondere in ressourcenbegrenzten Umgebungen. Jeder Detektionsschlitz verfügt über einen spezifischen Analyten unter Verwendung selektiver Reagenzien und optimierter Bedingungen. Die Fe2+ -Detektion arbeitet effektiv im Konzentrationsbereich von 0,01 bis 5,0 mg/l mit einer Nachweisgrenze (LOD) von 0,017 mg/L. Der Cr-Kanal, der Diphenylcarbazidchemie verwendet, deckt einen dynamischen Bereich von 10-500 μg/L ab und erreicht einen LOD von 10,78 μg/L. Die Fluoridmessung durch die Fe-SCN-Komplexentfärbungsmethode ermöglicht einen zuverlässigen Nachweis von 0,5-47,5 mg/L mit einer LOD von 0,46 mg/L. Basierend auf der Molybdänblau-Reaktion ist der Arsennachweis über einen Bereich von 5-100 μg/L mit einem LOD von 8 μg/L wirksam. Alle Reaktionen werden bei Raumtemperatur (25 ± 2 °C) durchgeführt, und der gesamte Assay ist in weniger als 5 Minuten abgeschlossen, ohne dass hochentwickelte Instrumente oder qualifiziertes Personal erforderlich sind. Diese Merkmale bestätigen die Anwendbarkeit der Methode und die Einhaltung der Wasserqualitätsnormen der WHO. Vor der Durchführung der Reaktion im Labor wurde die zeitabhängige Dichtefunktionstheorie (TD-DFT) angewendet, um die spezifischen chemischen Reaktionen (Schloss und Schlüssel) für jeden Analyten zu ermitteln. Diese TD-DFT-Analyse sagt auch das jeweilige wahrscheinliche λmax des Reagenzes und das Hauptprodukt der Reaktion voraus, das das grundlegende Rückgrat des Sensors darstellt und die wahrscheinliche Wirksamkeit des Sensors sicherstellt. Für das E-Eyes-fähige POCT-Kit wurde ein Prototyp entwickelt, und der Prototyp wurde in ein Gerät umgesetzt. Der gesamte Workflow ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Gerät wurde an mehr als 2000 Proben getestet und seine Leistung mit den Ergebnissen verglichen, die mit UV-Vis, ICP-MS und AAS erzielt wurden. In allen Fällen sind die Leistungen der Geräte mit minimalen und maximalen Abweichungen von 1,25 % bzw. 6,25 % sehr zufriedenstellend.

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Protokoll

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1. Berechnung und Validierung des Sensormechanismus der Reaktion

  1. Wählen Sie die Schlüssel-Schloss-Reaktion basierend auf dem chemischen Grundprinzip des Zielanalyten.
  2. Verwenden Sie das Gaußsche Programm 09, um alle Berechnungen mit der Becke-, 3-Parameter-Lee-Yang-Parr-Hybridmethode (B3LYP) und dem Los Alamos National Laboratory 2 Double ζ (LanL2DZ) Basissatz14 durchzuführen, um genauere Ergebnisse bei der elektronischen Berechnung mit dem Zielanalyten zu erhalten. Hier wird das Protokoll nur für Eisen (Fe) diskutiert, was für alle anderen Analyten gilt.
  3. Einführung des SCRF-Ansatzes (Self-Consistent Reaction Field) mit dem polarisierbaren Kontinuumsmodell (PCM), um den Lösungsmitteleffekt zu berücksichtigen. In diesem Protokoll wird davon ausgegangen, dass Wasser ein Lösungsmittel ist.
  4. Optimieren Sie die Molekülgeometrie mit der Funktion geom=connectivity. Es hilft, explizite Bindungsinformationen im Prozess der Optimierung beizubehalten.
  5. Berechnen Sie die Grundzustandsenergie, die erforderlich ist, um die optimierte Struktur des Moleküls zu berechnen, unter Verwendung der in 1.2 und 1.3 genannten Schritte.
  6. Ermitteln Sie den elektronischen Übergang des angeregten Zustands mit der Methode des zeitabhängigen selbstkonsistenten Feldes (TD-SCF) (ns=60)14. Verwenden Sie die gleiche Methode, um die UV-Absorptionsspektren zu erhalten.
  7. Optimieren Sie die Molekülgeometrie durch Grundzustands-DFT-Berechnungen mit dem B3LYP-Funktions- und LanL2DZ-Basissatz.
  8. Erhalten Sie die optimierte Struktur von 1,10-Phenanthrolin und Fe2+, wie in Abbildung 2A,B gezeigt.
  9. Simulieren Sie in ähnlicher Weise die Molekülstruktur von Hexafluoroferrat (FeF6), das eine oktaedrische Struktur mit Fe3+ als Zentralatom aufweist, das von 6 F-Atomen umgeben ist, wie in Abbildung 2C dargestellt.
    HINWEIS: Die Reaktion, d.h. die Bildung von Ferroin, ist spezifisch für Fe2+. Aus diesem Grund sollte Fe3+ zunächst gemäß der folgenden Reaktion auf Fe2+ reduziert werden.
    figure-protocol-1
    Das Fe2+ reagiert schnell mit 1,10-Phenanthrolin und bildet Ferroin, einen orangefarbenen Komplex, der mit bloßem Auge sichtbar ist (siehe die Reaktion unten). Diese Reaktion ist das Herzstück des Sensors, wie in Abbildung 2 gezeigt.

2. Entwicklung eines kolorimetrischen chemischen Sensors

  1. Beschaffen Sie die für die obige Reaktion erforderlichen Chemikalien in analytischer Qualität.
  2. Übertragen Sie gleiche Volumina Trinatriumcitratdihydrat, Ascorbinsäure und 1,10-Phenanthrolin in ein transparentes Glaskulturröhrchen.
    1. Im Experiment wurde 1 mL jedes Reaktanten in ein 5 mL transparentes Glaskulturröhrchen gegeben. Nach Zugabe von 1 ml jedes Reagenzes (1 ml Ascorbinsäure, 1 ml Trinatriumcitrat und 1 ml Phenanthrolin) fügen Sie 2 ml Brühe hinzu. Wenn 5 mg/l Stamm zugegeben wurden, beträgt die Endkonzentration 2 mg/L (C1V1 = C2V2) und das Endvolumen 5 mL.
  3. Optimieren Sie das Verhältnis der Reagenzien, um den pH-Wert des Reaktionsmediums mit Ascorbinsäure zu erreichen, die auch als Maskierungsmittel fungiert. Optimieren Sie die Reagenzien, um einen pH-Wert von 2 bei maximaler Extinktion bei einer Wellenlänge von 510 nm zu erreichen.
  4. Verwenden Sie ein Abdeckmittel, um Interferenzen durch Kupfer zu beseitigen, da 1,10-Phenanthrolin auch in einer alkalischen Umgebung einen gelb gefärbten Komplex mit Kupfer bildet.
    HINWEIS: Kupfer kann die Reaktion stören, da 1,10-Phenanthrolin in einer alkalischen Umgebung auch einen gelb gefärbten Komplex mit Kupfer bildet. Daher ist die Aufrechterhaltung des pH-Werts des Mediums sehr wichtig. Ascorbinsäure erfüllt diesen Zweck. Der pH-Wert kann sich jedoch im Laufe der Zeit ändern, und Stickstoff von 1,10-Phenanthrolin kann bei diesem niedrigen pH-Wert protoniert werden. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird Trinatriumcitratpuffer verwendet, der hilft, den pH-Wert aufrechtzuerhalten und die Protonierung von 1,10-Phenanthrolin zu verhindern.
  5. Bereiten Sie die Lösungen von Fe2+ mit unterschiedlichen Konzentrationen von 0,05 mg/l bis 4,0 mg/l aus FeSO4,7H 2O vor.
  6. Geben Sie 1 ml dieser Lösung zu dem in Abbildung 3A dargestellten Reaktionsgemisch, das orangefarbenes Ferroin als Indikator für das Fe2+ ergibt (Abbildung 3B).
    HINWEIS: Hier ist die Zugabe der Stammlösung zur Reagenzienmischung der visuelle Kontrollpunkt, der die orange Farbe erzeugt. Besonderes Augenmerk muss auf Reduktionsmittel gelegt werden, da 1,10-Phenanthrolin selektiv für Fe2+ ist und mit Fe3+ keinen Komplex bildet.
  7. Sammeln Sie die Rohproben und filtern Sie sie mit einem Whatman-Filterpapier in Porengröße und 20-25 μm. Führen Sie bei Bedarf eine Verdünnung nach der Filtrationdurch 14.
    1. Sammeln Sie Wasserproben direkt aus der Umwelt (z. B. dem Brahmaputra-Fluss) in vorgereinigten, säuregewaschenen Flaschen aus Polyethylen hoher Dichte. Verschließen Sie die Flaschen sofort und filtrieren Sie (innerhalb von 2 h) mit einem Whatman-Filterpapier mit einer Porengröße von 20-25 μm. Führen Sie eine Vorbehandlung durch, um die Sedimente und die Farbe von den Proben zu entfernen, bei denen es sich nicht um mit DI dotiertes Wasser handelt (hauptsächlich Umweltproben; siehe Ergänzende Datei 1).
  8. Messen Sie die Eisenmenge in den Proben mittels UV-Vis-Spektroskopie in einem Wellenlängenbereich von 250-750 nm, die bei der vorliegenden Messung als Goldstandardtechnik gilt.
    1. Legen Sie die Proben in Quarzküvetten mit einer Schichtdicke von 1 cm. Die Absorptionsmessungen werden bei bestimmten Wellenlängen durchgeführt, die der maximalen Extinktion jedes Analyten in dreifacher Ausführung entsprechen. Führen Sie die Basislinienkorrektur mit einem Rohling durch, der das gleiche Wasser enthält. Führen Sie alle Messungen bei Raumtemperatur unter Standard-Laborbedingungen (Scangeschwindigkeit: mittel, Messtyp: Absorption, Schlitzbreite: 5,0 L, Detektoren: direkt) durch, um die Konsistenz und Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.
      HINWEIS: Quratz-Küvetten, die für die UV-Vis-Spektroskopie verwendet werden, müssen optisch gleich und klar sein, um genaue Absorptionsmessungen zu gewährleisten. Sichtbare Flecken, Rückstände oder Kratzer können zu erheblichen Fehlern führen und einen sofortigen Austausch rechtfertigen.
  9. Die Proben werden mit Fe2+ in verschiedenen Konzentrationen von 0,05 bis 4 mg/l versetzt, wenn in Schritt 2.8 kein Fe2+ gefunden wurde. Reduzieren Sie Fe3+ unter Verwendung von Ascorbinsäure vor Schritt 2.8, um den Gesamteisengehalt in den Proben zu schätzen.
    HINWEIS: Alle Reaktionen finden bei Raumtemperatur statt. Der Ferroinkomplex wird sofort nach der Zugabe von Fe2+ gebildet. Daher funktioniert der Sensor bei Raumtemperatur einwandfrei und seine Reaktionszeit ist sehr kurz, nämlich innerhalb weniger Sekunden.

3. Design und Herstellung des Prototyps des E-Eye-Enable POCT-Kits

  1. Besorgen Sie LDR, eine weiße LED, ein LCD, einen Mikroprozessor-Mikrocontroller und Widerstände.
  2. Ordnen Sie eine LED und einen LDR einander auf einer 3D-gedruckten Box an. Der Kasten enthält eine Küvette, in der sich Ferroin durch die Schloss- und Schlüsselreaktion bildet, wie in Abbildung 4A dargestellt.
    HINWEIS: Die hier verwendete LED strahlt weißes Licht aus; Sein Durchmesser beträgt etwa 5 mm und seine Sperrspannung 5 V. Der im Prototyp verwendete LDR hat ein Erfassungsvermögen von 5 Ω bis 10 kΩ. Darüber hinaus erfasst dieser LDR effektiv die Wellenlänge im Bereich von 400 bis 700 nm, die von der hier verwendeten LED emittiert wird.
  3. Vervollständigen Sie die Schaltung mit den erforderlichen elektronischen Hardwarekomponenten: Widerstände (3,3 kΩ), Verbindungsdrähte und eine LCD-Einheit (SKU: 11497).
  4. Verbinden Sie alle oben genannten Komponenten mit einem Mikroprozessor über eine Spannungsteilerschaltung, die in Abbildung 4B dargestellt ist. Führen Sie die Programmierung mit der Arduino IDE v1.8.19 durch. Lesen Sie das LED-LDR-basierte Analogsignal jedes Kanals über analoge Pins (A0-A3).
    HINWEIS: Der Mikroprozessor fungiert als zentrale Recheneinheit der Schaltung. Das optoelektronische Datenerfassungssystem wurde unter Verwendung eines Arduino Uno (Rev3) Mikrocontrollers aufgebaut.
  5. Beherbergen Sie die fortschrittlichen und ausgeklügelten elektronischen Filter (Widerstand 10 kΩ, Kapazität 1 μF), um die Effizienz des Sensors zu verbessern, indem das Rauschen unterdrückt und die instrumentelle Kraft des Geräts gesteigert wird.
  6. Drucken Sie die Leiterplatte (PCB), wenn das Design vollständig ist.
  7. Versorgen Sie den Stromkreis mit Strom, indem Sie den elektronischen Schalter einschalten und die Reaktion des Sensors in Bezug auf den Widerstand aufzeichnen.
    1. Nach dem Einschalten des Schalters strahlt die LED Licht aus, das die Reaktionskammer durchläuft. Der LDR erfasst die Intensität des durchgelassenen Lichts und gibt einen Widerstand ab. Korrelieren Sie diesen Widerstand mit der in der Probe vorhandenen Fe2+ -Konzentration. Diese Korrelation der bekannten Stichproben stellt eine Kalibrierung für den Plot dar. Integrieren Sie die aus diesem Kalibrierungsdiagramm erhaltene Gleichung in den abgeleiteten Algorithmus.
  8. Der gesamte Schaltplan ist in Abbildung 4C dargestellt. Drucken Sie das Gerät aus, nachdem Sie alle oben in diesem Abschnitt genannten Schritte ausgeführt haben. Das tatsächliche Bild des hergestellten Geräts ist in Abbildung 4D dargestellt.
    HINWEIS: Das Bedrucken der Leiterplatte verbessert die Zuverlässigkeit und garantiert eine robuste Integration der elektronischen Hardwarekomponenten.

4. Entwicklung eines Multiplex-Bauelements

HINWEIS: Mehrere Kanäle sind erforderlich, um mehrere Analyten in einem einzigen Schuss zu erkennen. Dazu werden vier Kanäle verbaut und in den Prototyp integriert.

  1. Erstellen Sie vier Schlitze in der 3D-Box, um die vier Küvetten in ihren jeweiligen Positionen zu halten. Isolieren Sie jeden Detektionssteckplatz optisch und elektronisch, um Interferenzen zu minimieren, physisch durch undurchsichtige Barrieren zwischen den Kanälen und elektronisch durch die Verwendung separater LED-LDR-Paare und einzelner Spannungsteiler, um Signalüberlappungen zu vermeiden.
    1. Weisen Sie einem bestimmten Analyten einen Slot zu. Vertauschen Sie die Steckplätze nicht. Der Schlitz, der einem bestimmten Analyten zugewiesen ist, muss die Küvette enthalten, die nur Reagenzien enthält, die für diesen Analyten spezifisch sind.
  2. Wiederholen Sie die in den Schritten 3.3 bis 3.7 genannten Protokolle. Alle vier LED-LDR-Paare sind parallel zur Leiterplatte geschaltet. Ein repräsentativer Schaltplan und ein Bild des Prototyps für sechs solcher Steckplätze (6 Steckplätze) sind in Abbildung 5 dargestellt.
  3. Schalten Sie den Schalter ein, um den Stromkreis mit Strom zu versorgen. Alle LEDs leuchten; Folglich erfassen die LDRs alle vier Analyten gleichzeitig.
    HINWEIS: Es funktioniert nach dem gleichen Prinzip, wie es in der Anmerkung unter Schritt 3.7 beschrieben wurde. Es ist wichtig, den Platinenwiderstand zu beachten; Jede Änderung, die externen Faktoren unterliegt, rechtfertigt eine Neukalibrierung. Das Gerät wurde für die UV-Vis-Spektroskopie hergestellt. Die in dieser Arbeit verwendete optische Quelle (LED) umfasst jedoch eine Wellenlänge von 400-750 nm. Daher kann es sein, dass eine komplexe UV- oder Nahinfrarot-Absorption keine genauen Ergebnisse liefert. Das Gerät kann nur in seinem linearen Bereich betrieben werden. Daher kann ein Analyt, der über oder unter diesem Bereich kontaminiert ist, keine zuverlässige Ausgabe liefern.

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Ergebnisse

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In diesem Manuskript wird das Protokoll für das Design und die Entwicklung eines optischen Multiplex-POCT-Kits diskutiert, das Fe, Cr, As und F in verschiedenen Proben nachweist. Abbildung 1 zeigt die Algorithmen des gesamten Verfahrens. Der kolorimetrische chemische Sensor wurde auf der Grundlage der Ergebnisse der TD-DFT-Simulation entwickelt. Dieser chemische Sensor ist mit einem im eigenen Land entwickelten optischen Sensor integriert. Das letzte Gerät i...

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Diskussion

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Die Validierung des E-Eye-fähigen POCT-Kits gegen den Goldstandard (UV-vis) ist in Abbildung 5 dargestellt. Zu diesem Zweck wurden dotierte Proben von Fe2+ hergestellt. Seine Konzentration wurde mit dem entwickelten E-Eye POCT-Kit und dem UV-Vis-Spektralphotometer in dreifacher Ausfertigung gemessen, und der Durchschnittswert wurde angegeben. Beide Messwerte wurden verglichen, und es wurde festgestellt, dass das Gerät dem Goldstandard entspricht. ...

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Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir danken MeitY SWASTHA (Grant 5 (1)/2022-NANO), dem ICMR Center for Excellence (Grant 5/3/8/20/2019-ITR) und der indischen Regierung für die finanzielle Unterstützung.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
1,10-Phenanthrinmonohydrat (C12H8N2. H2O)5144-89-8Sigma Aldrich, Indien
1,5-Diphenylcarbazid (C13H14N4O)140-22-7Sigma Aldrich, Indien
Aceton (C3H6O)67-64-1Sigma Aldrich, Indien
Ammoniummolybdattetrahydrat ((NH?)? Mo? O?? · 4H? O)12054-85-2Sigma Aldrich, Indien
Arduino UNO-EntwicklungsboardSKU  A000066Robu.in
Ascorbinsäure (C6H8O6)50-81-7 Himedia, Indien
BreadboardSKU: 24441Robu.in
Eisenchlorid (FeCL3)7705-08-0 Himedia, Indien
Eisensulfat-Heptahydrat (FeSO4.7H2O)7782-63-0 Himedia, Indien
Salzsäure (HCl)7647-01-0 Finar, Indien
Wasserstoffperoxid (H2O2)7722-84-1 Finar, Indien
ÜberbrückendrähteSKU: 44281Robu.in
Leuchtdiode (LED)SKU: R110553Robu.in
Lichtabhängiger Widerstand (LDR)SKU: 1496181Robu.in
Flüssigkristalldisplay (LCD)SKU: 11497Robu.in
Milli-Q Wasser (18,2 & löffel; MΩ) 
MultimeterSKU: 1720374Robu.in
Salpetersäure (HNO3)7697-37-2 Finar, Indien
Phosphatpuffer-Kochsalzlösung (PBS)SKU:  M1866Himedia, Indien
Kaliumdichromat (K2Cr2O7)7778-50-9 Himedia, Indien
PotentiometerSKU: 790452Robu.in
WiderständeSKU: R225238Robu.in
Natriumarsenat-Heptahydrat (Na2HAsO4· 7H2O)10048-95-0 Himedia, Indien
Natriumdihydrogenphosphat (NaH2PO4) 13472-35-0 Himedia, Indien
Natriumfluorid (NaF)7681-49-4Himedia, Indien
Natriumthiocyanat (NaSCN)540-72-7 Himedia, Indien
Schwefelsäure (H2SO4)7664-93-9 Finar, Indien
Trinatriumcitratdihydrat (Na3C6H5O7,2H2O)03-04-6132Himedia, Indien

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nkwunonwo, U. C., Odika, P. O., Onyia, N. I. A review of the health implications of heavy metals in the food chain in Nigeria. Sci World J. 2020 (1), 6594109(2020).
  2. Scutarașu, E. C., Trincă, L. C. Heavy metals in foods and beverages: Global situation, health risks and reduction methods. Foods. 12 (18), 3340(2023).
  3. U S food and drug administration, total diet study report (tds). , U.S. Food and Drug Administration. https://www.fda.gov/food/hfp-constituent-updates/fda-releases-new-total-diet-study-report (2022).
  4. Zlati, M. L., Georgescu, L. P., Iticescu, C., Ionescu, R. V., Antohi, V. M. New approach to modelling the impact of heavy metals on the european union’s water resources. Int J Environ Res Public Health. 20 (1), 45(2022).
  5. Binner, H., Sullivan, T., Jansen, M. A. K., Mcnamara, M. E. Metals in urban soils of Europe: A systematic review. Sci Total Environ. 854, 158734(2023).
  6. Abdelmonem, B. H., Kamal, L. T., Elbaz, R. M., Khalifa, M. R., Abdelnaser, A. From contamination to detection: The growing threat of heavy metals. Heliyon. 11 (1), e41713(2025).
  7. Li, F., et al. Comprehensive source identification of heavy metals in atmospheric particulate matter in a megacity: A case study of Hangzhou. J Environ Manag. 366, 121747(2024).
  8. Pandey, K. Downtoearth. , https://www.downtoearth.org.in/author/kiran-pandey (2024).
  9. Directorate of Health Services, Ministry of Health & Family Welfare, Government of India. National biomonitoring programme for chemical toxicants. , https://ncdc.mohfw.gov.in/wp-content/uploads/2024/05/Draft-Report-Stakeholder-Engagement-Workshop-NBPCT-14-15-March-2024-24-04-24.pdf (2024).
  10. Kumar, H. N. N., et al. Recent advances in on-site monitoring of heavy metal ions in the environment. Microchem J. 182, 107894(2022).
  11. Li, Z., Xu, D., Zhang, D., Yamaguchi, Y. A portable instrument for on-site detection of heavy metal ions in water. Anal Bioanal Chem. 413 (13), 3471-3477 (2021).
  12. Meng, R., et al. The innovative and accurate detection of heavy metals in foods: A critical review on electrochemical sensors. Food Control. 150, 109743(2023).
  13. Wang, Z. Q., Sun, X., Li, C. H., He, X. Q., Liu, G. On-site detection of heavy metals in agriculture land by a disposable sensor based virtual instrument. Comp Electron Agri. 123, 176-183 (2016).
  14. Kashyap, S., Kayal, S., Mandal, T. K. Design and development of an on-site fluoride sensor: Time dependent-density functional theory approach and implementation. Chem Eng Sci. 312, 121675(2025).
  15. Kashyap, S., Mandal, T. K. Prototype of a POCT device for colorimetric sensing of chromium(vi) for healthcare applications. J Electr Mates. , (2025).
  16. Bamane, S. D., et al. Smartphone-enabled field monitoring tool for rapid hexavalent chromium detection in water. Anal Bioanal Chem. 413 (13), 3455-3469 (2021).
  17. Kashyap, S., Joshi, S., Mahan, P. S., Kayal, S., Mandal, T. K. A highly efficient indigenous portable optical sensor for measurement of total chromium concentration in environmental and biological samples: Design, development, and validation with spectroscopic results. Microchem J. 211, 113098(2025).
  18. Kashyap, S., Mahan, P. S., Singh, H., Kayal, S., Mandal, T. K. Point-of-care photoresistive and colorimetric sensor for iron detection in environmental and biological samples with spectroscopic validation. Chem Asian J. , (2025).
  19. Kang, H., Lin, L., Rong, M., Chen, X. A cross-reactive sensor array for the fluorescence qualitative analysis of heavy metal ions. Talanta. 129, 296-302 (2014).
  20. Chromate (hexavalent) test kits. , Chemetrics. https://www.chemetrics.com/product-category/test-kits/chromate-hexavalent/?srsltid=AfmBOooVUSOHfEFtal34sIX5po-wqqMHJPgn6bIWcvmLQiVyj6Szsyvw (2024).
  21. Hach instruments. , Hach-India. https://in.hach.com/chromium-test-kit-model-ch-14/product-downloads?id=15500232642&srsltid=AfmBOor_aQPSctqvJNno5IUwa_YhLXh940eGoaLyBO-mlfV9ZZ5nMHBY (2023).
  22. Chromium VI chemical test kit. , Hanna. https://hannainst.in/product/chromium-vi-chemical-test-kit-hi3846/?srsltid=AfmBOop1UExl5HJlbaPkwJ0APd-wq-A0PpdLacXDi-86aXYCDJP9anXZ (2024).
  23. Chromium testing kit. , Himedia. https://www.himedialabs.com/in/wt050-chromium-testing-kit.html (2024).
  24. Chromate test. , Merck. https://www.merckmillipore.com/IN/en/product/Chromate-Test,MDA_CHEM-114758 (2024).
  25. Cr (vi) dk: Chromium (vi) detection kit for water. , Barc. https://www.barc.gov.in/technologies/dkit/index.html (2024).
  26. Aquasol. , Rakiro. https://www.rakiro.net/product-details/aquasol-fluoride-test-kit-ae210 (2024).
  27. Fluoride testing kit. , Himedia. https://www.himedialabs.com/in/fluoride-testing-kit.html (2024).
  28. Colorimetric detection of fluoride. , Sigma Aldrich. https://www.sigmaaldrich.com/IN/en/product/mm/118771?srsltid=AfmBOopwDb2Y68oTGR7VQ9v1914SmyTH0qJE0508hIFdbUpUvjrZY3Nz (2024).
  29. Photometric detection of fluoride. , Sigma Aldrich. https://www.sigmaaldrich.com/IN/en/product/mm/117243#product-documentation (2024).
  30. Hi-739 fluoride testing kits. , Hanna. https://hannainst.in/product/fluoride-hr-checker-hc-hi739/?srsltid=AfmBOopgCK560mpYOhsGm_9Iu0LyDkHoe6z2GyM12nvJHrr0K6knQ0Zgwmg&gQT=1 (2024).
  31. Fluoide kits. , Prerana. https://www.watertestingkits.co.in/water-testing-kits.html (2024).
  32. Iron test kit. , Aquasol. https://www.rakiro.net/product-details/aquasol-iron-test-kit-ae303 (2025).
  33. Iron (Fe2+ & Fe3+) chemical test kit. , Hanna. https://hannainst.in/product/iron-fe%C2%B2-fe%C2%B3-chemical-test-kit-hi3834/?srsltid=AfmBOorUJb5JMl4SKXH2_8ec9vtAEFRairar--HxABETsU_ALO8kAlj4 (2025).
  34. Parker kittiwake economy total iron kit fg-k30500-kw. , Insa tech. https://www.insatechmarine.com/products/condition-monitoring/lube-oil/economy-total-iron-kit/#product-info (2025).
  35. Iron test kit. , Prerana Laboratories. https://www.indiamart.com/proddetail/iron-test-kit-2854724092591.html (2025).
  36. Iron test strips. , Hach. https://www.hach.com/p-iron-test-strips-total-dissolved-iron-0-5-mgL/2745325?srsltid=AfmBOopubapfACD6VLrp9dZC4pxLoOtGByP_PppO6Vlxds1jjOsIAvsz (2025).
  37. Field test kit for detection of arsenic. , Barc. https://www.barc.gov.in/technologies/wt27amd/index.html (2025).
  38. Arsenic test kit. , Aquasol. https://www.rakiro.net/product-details/aquasol-arsenic-test-kit-ae408 (2025).
  39. Water testing. , Lovibond. https://www.lovibond.com/ix_pim_assets/datasheet/water/us-en/Datasheet%20400700%20-%20Arsenic%20Test%20Kit,%200-0.5%20mgL%20us-en.pdf (2025).
  40. Water quality test kit. , Coleparmer. https://www.coleparmer.in/i/its-481396-water-quality-test-kit-arsenic-standard-range-100-pk/9953132?srsltid=AfmBOopR3FUr7tCvM-ql0w9fVH8pIkN_jQ8C-GPXyInjMHm3AXPCbyUI (2025).
  41. Visual arsenic detection kit. , Palintest. https://www.palintest.com/product-category/visual (2025).
  42. Mitra, S., Basak, M., Biswas, S., Gooh Pattader, P. S. Digital electronic based portable device for colorimetric quantification of ketones and glucose level in human urine. Measurement. 214, 112848(2023).
  43. Patel, M. R., et al. Synthesis of multicolor silver nanostructures for colorimetric sensing of metal ions (cr(3+), hg(2+) and k(+)) in industrial water and urine samples with different spectral characteristics. Environ Res. 232, 116318(2023).
  44. Al Awadeen, M., Al Hiyasat, A., Massadeh, A., Khader, Y. Determination of selected heavy metal levels in scalp hair and fingernail samples from dental laboratory technicians. J Interdiscipl Med Dent Sci. 2 (5), 1-7 (2014).
  45. Hayes, A. W. Principles and methods of toxicology. , 4th edition, Taylor and Francis Group. (2001).

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