Técnica avanzada de detección E-Eye guiada por TD-DFT para la cuantificación in situ de Fe, Cr, F y As en muestras ambientales, biológicas y alimentarias

Resumen

Este trabajo ha discutido el protocolo para diseñar y desarrollar un dispositivo E-Eye-Enable POCT para detectar Fe, Cr, As y F en muestras ambientales, muestras biológicas y alimentos y bebidas. Se han analizado casi 2000 muestras y los resultados concuerdan con la técnica estándar de oro.

Resumen

Este documento demuestra el protocolo paso a paso para diseñar y desarrollar un kit de pruebas multiplexadas en el punto de atención (POCT) habilitado para E-Eye. Utilizamos la teoría de la función de densidad dependiente del tiempo (TD-DFT) para explorar el principio básico de funcionamiento de los sensores antes de entrar en los detalles del hardware del dispositivo. El análisis TD-DFT proporciona el_{λ max} del elemento objetivo, lo que ayuda a encontrar la ruta más precisa para detectar el contaminante en los analitos. El análisis TD-DFT se realiza en los programas Gaussian 09 y Gauss View 5.0. Se ha desarrollado un sensor óptico llamado ojo electrónico (E-Eye) basado en el valor_{λ max} y el principio de diodo emisor de luz/resistencia dependiente de luz (LED/LDR). El dispositivo E-Eye se ha fabricado con un LED, un LDR colocado uno frente al otro y otro hardware, incluida una pantalla de cristal líquido (LCD) interconectada con un microprocesador a través de un divisor de voltaje, que actúa como un microprocesador central. Inicialmente, todas las muestras (ambientales, biológicas y de alimentos y bebidas) se preprocesaron para extraer todos los elementos objetivo en la fase acuosa. La reacción específica (cerradura y llave) se ha llevado a cabo en el reactor especificado y se han registrado las lecturas observadas en la unidad de visualización. También se ha fabricado un dispositivo multiplexado autóctono para detectar Fe, Cr, As y F simultáneamente. La eficacia de los sensores se ha probado con más de 2000 muestras y se ha comparado con los métodos estándar de oro. Se ha confirmado una buena precisión con una exactitud del 95,3%, 94,7% y 95,4% con respecto a las muestras de ambientales, biológicas y de alimentos y bebidas. Es importante tener en cuenta que el rendimiento del sensor de arsénico se ha comparado con los resultados de la espectrometría de absorción atómica (AAS), y todos los demás resultados, es decir, los sensores de hierro, cromo y fluoruro, se han comparado con los resultados obtenidos del análisis UV-Vis.

Introducción

Los metales pesados desempeñan un papel importante en el mantenimiento del ecosistema de la Tierra, que es esencial para los seres humanos¹. Por el contrario, el crecimiento industrial y el maltrato de los recursos naturales en la era reciente han llevado a que los metales pesados se conviertan en un contaminante para la cadena alimentaria y otros productos esenciales de los seres vivos, lo que es una seria alarma para la civilización moderna. Se debe a su bioacumulación en cuerpos vivos y no vivos y a la naturaleza de la no degradabilidad². En este sentido, el gobierno de los Estados Unidos ha evaluado continuamente el grado alimenticio, incluidos los alimentos para bebés, durante mucho tiempo para monitorear la calidad de los alimentos. En total, analizaron más de 22 elementos y más de 3200 muestras en todo su país³.

En muchos casos, los niveles de metales pesados cruzaron el límite de umbral recomendado por la OMS y la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU., y el Informe del Estudio de Dieta Total (TDS), julio de 2022. Se puede llegar a una conclusión similar sobre las masas de agua y los suelos de Europa ^4,5. Además del suelo y el agua, la fuerte presencia de metales pesados pone en peligro la vida ^6,7. Es importante tener en cuenta que la India es un país basado en ríos, y una encuesta reciente muestra que más del 43% de los ríos tienen un nivel alarmante de muchos metales pesados y otros contaminantes ^8,9. En este programa⁸, se aceptó que los niveles de plomo en sangre en más de 27,5 millones de niños son superiores a 5 μg / dL, lo que se considera inseguro.

Las discusiones anteriores describen la necesidad de un monitoreo continuo de metales pesados y otros productos químicos peligrosos para el bienestar de la sociedad global. Existen varias técnicas para la detección y medición de la concentración de metales pesados, como la espectroscopia UV-Vis, la AAS, la espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente (ICP-AES) y la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS), etc. (Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU., Informe del estudio de dieta total (TDS), julio de 2022)³. La necesidad de equipos de alta gama y una mano de obra calificada restringe estos métodos para la detección rápida e in situ de metales pesados. La situación discutida en el párrafo anterior exige un kit de detección in situ fácil de usar, rápido y preciso para metales pesados, que pueda ayudar a monitorear la calidad del suelo, el aire y el agua.

Ha habido muchos intentos de desarrollar los kits de detección in situ^10,11 antes mencionados para metales pesados. Algunos de ellos,^{12, 13, 14, 15} han tenido éxito, y otros¹³ no han cumplido con los requisitos de las recomendaciones de la OMS. Algunos de ellos son sensores digitales, que muestran los valores digitales de las concentraciones de los analitos 16,17,18. El resto son sensores cualitativos como los sensores microfluídicos basados en papel utilizados para la prueba de embarazo, que pueden marcar la presencia y ausencia de los contaminantes objetivo en la muestra¹⁹. Hay varios kits de diferentes marcas, marcas y modelos disponibles comercialmente en el mercado, que podrían implementarse de forma rutinaria para probar la presencia de metales pesados en agua y otras muestras. Estos kits generalmente se clasifican en función de indicadores clave de rendimiento, como el rango de detección, el costo por muestra, la sensibilidad, la confiabilidad operativa y las habilidades técnicas requeridas. Por ejemplo, para la detección de cromo, la mayoría de los kits comerciales ofrecen rangos de detección de hasta 1 mg/L, y algunos de hasta 10 mg/L (Chemetrics²⁰), pero sus límites de detección (LOD) y recuentos mínimos suelen estar por encima del umbral recomendado por la Organización Mundial de la Salud (OMS) para el agua potable. Por ejemplo, el kit HACH²¹ (5-100) y (50-1000) mg/L, aunque cubre un amplio rango, demuestra una sensibilidad deficiente a bajas concentraciones (recuento mínimo ≥5 mg/L) y cuesta 125,95 por muestra, lo que requiere habilidades experimentales básicas e interpretación visual del cambio de color. Los kits Hanna Hi3846²² e Himedia²³, aunque más asequibles (51,00 y 375,00 por muestra, respectivamente), también exhiben una sensibilidad limitada, con el menor recuento del kit Hanna de 0,2 mg/L. Los kits Merck²⁴ y Chemetrics²⁰ emplean lecturas digitales y abarcan rangos de detección intermedios a altos (2-10 mg/L). Aún así, sus costos por muestra son significativamente más altos (hasta 823.20) y su sensibilidad sigue siendo subóptima para el cumplimiento normativo. El kit BARC²⁵, aunque es fácil de usar y adecuado para la categorización rápida de la seguridad del agua en el campo, también sufre de un límite de detección relativamente alto (≥0,05 mg/L) y una producción cualitativa, en lugar de cuantitativa.

Del mismo modo, para la detección de fluoruro, los kits disponibles comercialmente, como Aquasol AE210²⁶ (rangos de 0,1-2 mg/L y 120 mg/L) e Himedia²⁷ (0-2,5 mg/L) se encuentran entre los más asequibles, con 6 y 11,60 por muestra, respectivamente, pero se basan en la colorimetría visual con límites de sensibilidad no especificados y el tiempo necesario para analizar la muestra. Las opciones de rango medio incluyen los kits Merck Colourimetric²⁸ (rango de detección 0-0,8 mg/L, 292,20 por muestra) y Photometric²⁹ (rango de detección 0,1-2,5 mg/L, 456 por muestra), y este último ofrece lecturas digitales a costos más altos. Sistemas poco sofisticados como el Hanna Hi739³⁰ (rango de detección 20-20 mg / L, 362 por muestra) y Prerana Laboratories³¹ (150 por muestra) demuestran compensaciones entre el tiempo de detección (≥1 minuto para Hanna versus 10-30 min para Prerana) y la precisión analítica, aunque ambos carecen de especificaciones de sensibilidad explícitas. Los kits existentes priorizan la asequibilidad con una sensibilidad comprometida o una precisión mejorada a costos elevados, con los límites de detección comprometidos en el rango medio de hasta 20 mg / L.

Los kits de detección de hierro disponibles en el mercado exhiben características de rendimiento variadas, con importantes compensaciones entre sensibilidad, costo y complejidad operativa. El AE303³² ofrece un rango de detección de 0-2 mg/L a 14 por muestra, utilizando una técnica colorimétrica visual. Del mismo modo, otro kit de este tipo para la detección de hierro, el HI3834³³, cubre 0-5 mg / L (52 por muestra) con un recuento mínimo de 1 mg / L y un tiempo de detección de ≥ 4 min, lo que requiere la capacidad de realizar experimentos básicos. El Insa tech³⁴ sirve para la aplicación de detección de altas concentraciones en el rango de 50-800 mg/L, aunque su alto coste y sensibilidad (≥50 mg/L) con un tiempo de detección de 75 min limitan su aplicación para fines generales. El kit³⁵ de Prerana Laboratories (rango de detección de 0-1 mg/L, 28 por muestra) mejora la detección de baja concentración (sensibilidad de 0,1 mg/L) pero requiere un tiempo de análisis de 30 min. Las tiras reactivas³⁶ de Hach (rango de detección de 0-5 mg/L, costo no especificado) logran un recuento mínimo de 0,15 mg/L, pero se basan en la interpretación subjetiva del color.

Los kits comerciales de detección de arsénico demuestran una variabilidad significativa en el rendimiento analítico, el costo y la complejidad operativa. El kit de campo BARC³⁷ (0-0,01 mg/L, 5-10 por muestra) emplea un reactivo no tóxico y un análisis colorimétrico de 10 min, ofreciendo accesibilidad rural pero basándose en una comparación visual subjetiva. El AE408³⁸ (0-0,1 mg/L/0-3 mg/L, 77,40 por muestra) prioriza la portabilidad y el cumplimiento de la APHA, aunque su sensibilidad sigue sin especificarse. El kit Lovibond³⁹ (0-0,5 mg/L, 500 por muestra) logra una mayor sensibilidad, que detecta arsénico a 5 μg/L^, cumpliendo con las directrices de la OMS, a través de un protocolo seguro y resistente a la interferencia de sulfuro. Los sistemas premium como el kit ITS⁴⁰ de Cole-Parmer (límite de detección de 2 μg / L, 480 por muestra) y el kit Visual⁴¹ de Palintest (200 pruebas / £ 560, ~ 280 por muestra) ofrecen una precisión mejorada con la verificación de la EPA o los sistemas de triple filtro, pero incurren en costos elevados.

Los kits de detección disponibles comercialmente para cromo, fluoruro, hierro y arsénico presentan limitaciones críticas de sensibilidad, costo y confiabilidad operativa que dificultan su utilidad en entornos de campo. Para el cromo, los kits comerciales como HACH (recuento mínimo ≥5 mg / L) y Hanna Hi3846 (≥0.2 mg / L) operan por encima del límite de la OMS (0.05 mg / L), con costos que oscilan entre 51 y 823 por prueba y dependen de la interpretación visual propensa a errores. Del mismo modo, los kits de fluoruro como AE210 (resolución de 0,1 mg/L) y Fotométrico (456 por muestra) priorizan la asequibilidad o la precisión, pero carecen de una detección rápida que cumpla con los requisitos de la OMS. La detección de hierro sufre de altos recuentos mínimos (HI3834: 1 mg/L; tiras: 0,15 mg/L) y tiempos de análisis prolongados (Prerana: 30 min), mientras que los kits de arsénico como BARC (10 μg/L LOD) y Lovibond (5 μg/L) se enfrentan a brechas de fiabilidad por debajo de 70 μg/L y a costes elevados (hasta 500/prueba). El dispositivo multianalito propuesto aborda estas lagunas a través de importantes avances transformadores en la detección ultrasensible, la rentabilidad, la facilidad de uso y el análisis rápido e in situ. Al salvar la relación entre sensibilidad y costo y proporcionar un rendimiento sólido en matrices complejas, este dispositivo resuelve las lagunas y lagunas de la literatura de larga data en el monitoreo de la calidad del agua desplegable en el campo, particularmente en regiones de bajos recursos donde la asequibilidad, la precisión y la facilidad de uso son primordiales. Su capacidad para detectar el grado de cumplimiento con la funcionalidad digital del punto de atención representa un cambio de paradigma en el análisis ambiental y de atención médica, superando las limitaciones de las soluciones comerciales fragmentadas y específicas de analitos.

En el escenario actual, la sociedad exige un sensor para transmitir la concentración real de los diversos contaminantes. Los kits existentes de pruebas de trabajo y en el punto de atención (POCT) cumplen con este requisito. Por lo tanto, existe la necesidad de un kit POCT robusto con un rendimiento comparable al de equipos de alta gama como UV-Vis, AAS o ICP-MS, etc., capaz de detectar múltiples contaminantes. El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar un método robusto y kits POCT para cumplir con este propósito. Aquí, se ha desarrollado un método y un kit POCT para detectar diferentes metales pesados en muestras ambientales, biológicas y de alimentos y bebidas. La técnica de preprocesamiento de las muestras se adoptó e implementó utilizando el sensor óptico desarrollado localmente para cuantificar Fe, As, Cr y F. El sensor óptico se desarrolló en base al principio de funcionamiento de LED-LDR; por eso se llama kit POCT habilitado para E-Eyes. El dispositivo POCT multiplexado desarrollado que se informa en este trabajo demuestra una fuerte aplicabilidad práctica para el monitoreo de la calidad del agua en el sitio, particularmente en entornos con recursos limitados. Cada ranura de detección tiene un analito específico que utiliza reactivos selectivos y condiciones optimizadas. La detección de Fe²⁺ funciona eficazmente dentro del rango de concentración de 0,01-5,0 mg/L, con un límite de detección (LOD) de 0,017 mg/L. El canal Cr, que emplea la química de difenil carbazida, cubre un rango dinámico de 10-500 μg/L y alcanza un LOD de 10,78 μg/L. La detección de fluoruro a través del método de decoloración del complejo Fe-SCN permite una detección fiable de 0,5-47,5 mg/L, con un LOD de 0,46 mg/L. Basada en la reacción del azul de molibdeno, la detección de arsénico es eficaz en un rango de 5-100 μg/L con un LOD de 8 μg/L. Todas las reacciones se llevan a cabo a temperatura ambiente (25 ± 2 °C) y todo el ensayo se completa en menos de 5 minutos sin necesidad de instrumentación sofisticada ni personal cualificado. Estas características afirman la aplicabilidad del método y el cumplimiento de las normas de calidad del agua de la OMS. Antes de realizar la reacción en el laboratorio, se adoptó la teoría de la función de densidad dependiente del tiempo (TD-DFT) para establecer las reacciones químicas específicas (cerradura y llave) para cada analito. Este análisis TD-DFT también predice el λ_máx . probable respectivo del reactivo y el producto principal de la reacción, que es la columna vertebral fundamental del sensor y garantiza la eficacia probable del sensor. Se ha desarrollado un prototipo para el kit POCT habilitado para E-Eyes, y el prototipo se ha traducido en un dispositivo. Todo el flujo de trabajo se ha mostrado en la Figura 1. El dispositivo ha sido probado con más de 2000 muestras y su rendimiento se comparó con los resultados obtenidos con UV-Vis, ICP-MS y AAS. En todos los casos, el rendimiento del dispositivo es altamente satisfactorio con desviaciones mínimas y máximas del 1,25% y 6,25%, respectivamente.

Protocolo

1. Cálculo y validación del mecanismo de detección de la reacción

1. Seleccione la reacción de cerradura y llave según el principio químico básico del analito objetivo.
2. Utilice el programa Gaussian 09 para realizar todos los cálculos utilizando el método híbrido Becke, 3 parámetros, Lee-Yang-Parr (B3LYP) y el conjunto de bases¹⁴ del Laboratorio Nacional de Los Álamos 2 Double ζ (LanL2DZ) para obtener resultados más precisos en el cálculo electrónico que involucra el analito objetivo. Aquí, el protocolo se discute solo para el hierro (Fe), que se aplica a todos los demás analitos.
3. Introduzca el enfoque de campo de reacción autoconsistente (SCRF) con el modelo de continuo polarizable (PCM) para tener en cuenta el efecto del disolvente. Se supone que el agua es un disolvente en este protocolo.
4. Optimice la geometría molecular utilizando la función geom=connectivity. Ayuda a retener información de vinculación explícita en el proceso de optimización.
5. Calcule la energía del estado fundamental requerida para calcular la estructura optimizada de la molécula, utilizando los pasos mencionados en 1.2 y 1.3.
6. Obtenga la transición electrónica de estado excitado mediante el método de campo autoconsistente dependiente del tiempo (TD-SCF) (ns = 60)¹⁴. Utilice el mismo método para obtener los espectros de absorción UV.
7. Optimice la geometría de la molécula mediante cálculos de DFT en estado fundamental utilizando el conjunto de bases funcionales B3LYP y LanL2DZ.
8. Obtenga la estructura optimizada de 1,10-fenantrolina y Fe²⁺ como se muestra en la Figura 2A, B.
9. De manera similar, simule la estructura molecular del hexafluoroferrato (FeF₆), que tiene una estructura octaédrica con Fe³⁺ como átomo central rodeado por 6 átomos de F^- como se presenta en la Figura 2C.
   NOTA: La reacción, es decir, la formación de ferroína, es específica para Fe²⁺. Es por eso que, inicialmente, Fe³⁺ debería reducirse a Fe²⁺ de acuerdo con la reacción a continuación.
   
   El Fe²⁺ reacciona rápidamente con la 1,10-fenantrolina y forma ferroína, un complejo de color naranja visible a simple vista (ver la reacción a continuación). Esta reacción es el corazón del sensor, como se muestra en la Figura 2.

2. Desarrollo de un sensor químico colorimétrico

1. Adquirir los productos químicos de grado analítico necesarios para la reacción anterior.
2. Transfiera volúmenes iguales de citrato trisódico dihidratado, ácido ascórbico y 1,10-fenantrolina a un tubo de cultivo de vidrio transparente.
   1. En el experimento, se tomó 1 ml de cada reactivo en un tubo de cultivo de vidrio transparente de 5 ml. Después de agregar 1 ml de cada reactivo (1 ml de ácido ascórbico, 1 ml de citrato trisódico y 1 ml de fenantrolina), agregue 2 ml de caldo. Si se agregaron 5 mg/L de caldo, entonces la concentración final es de 2 mg/L (C1V1 = C2V2) y el volumen final es de 5 mL.
3. Optimice la proporción de reactivos para lograr el pH del medio de reacción utilizando ácido ascórbico, que también actúa como agente enmascarante. Optimice los reactivos para lograr un pH de 2 con la máxima absorbancia a una longitud de onda de 510 nm.
4. Use un agente enmascarante para eliminar la interferencia del cobre, ya que la 1,10-fenantrolina también forma un complejo de color amarillo con el cobre en un ambiente alcalino.
   NOTA: El cobre puede interferir con la reacción ya que la 1,10-fenantrolina también forma un complejo de color amarillo con el cobre en un ambiente alcalino. Por lo tanto, mantener el pH del medio es muy crucial. El ácido ascórbico sirve para el propósito. Sin embargo, el pH puede cambiar con el tiempo y el nitrógeno de la 1,10-fenantrolina puede protonarse a este pH bajo. Para superar estas dificultades, se utiliza tampón de citrato trisódico, que ayuda a mantener el pH y a prevenir la protonación de la 1,10-fenantrolina.
5. Preparar las soluciones de Fe²⁺ con diferentes concentraciones que van desde 0,05 mg/L hasta 4,0 mg/L de FeSO_{4,7H 2}O.
6. Agregue 1 ml de esta solución a la mezcla de reacción representada en la Figura 3A, que da ferroína de color naranja como indicador del Fe²⁺ (Figura 3B).
   NOTA: Aquí, agregar la solución madre a la mezcla de reactivos es el punto de control visual, que produce el color naranja. Se debe prestar especial atención a los agentes reductores, ya que la 1,10-fenantrolina es selectiva para Fe²⁺ y no forma un complejo con Fe³⁺.
7. Recoja las muestras crudas y filtre con un papel de filtro Whatman del tamaño de poro de 20-25 μm. Realice la dilución posterior a la filtración si es necesario¹⁴.
   1. Recoja muestras de agua directamente de las fuentes ambientales (por ejemplo, el río Brahmaputra) en botellas de polietileno de alta densidad previamente limpias y lavadas con ácido. Tape las botellas inmediatamente y filtre (dentro de las 2 h) con un papel de filtro Whatman de tamaño de poro 20-25 μm. Realice un pretratamiento para eliminar los sedimentos y el color de las muestras que no sean agua desionizada con picos (principalmente muestras ambientales; consulte el Archivo complementario 1).
8. Mida la cantidad de hierro en las muestras utilizando espectroscopia UV-Vis en un rango de longitud de onda de 250-750 nm, que se considera la técnica estándar de oro en la presente medición.
   1. Coloque las muestras en cubetas de cuarzo con una longitud de paso de 1 cm. Tome las mediciones de absorbancia en longitudes de onda específicas correspondientes a la absorbancia máxima de cada analito por triplicado. Realice la corrección de la línea de base utilizando un espacio en blanco que contenga la misma agua. Realice todas las mediciones a temperatura ambiente en condiciones estándar de laboratorio (velocidad de escaneo: media, tipo de medición: absorbancia, ancho de hendidura: 5,0 L, detectores: directos) para garantizar la consistencia y fiabilidad de los resultados.
      NOTA: Las cubetas Quratz utilizadas para la espectroscopia UV-vis deben ser ópticamente iguales y claras para garantizar mediciones precisas de absorbancia. Cualquier mancha, residuo o rasguño visible puede introducir errores significativos y justificar un reemplazo inmediato.
9. Enriquecer las muestras con Fe²⁺ en diferentes concentraciones que van de 0,05 a 4 mg/L, si no se encuentra Fe²⁺ en el paso 2.8. Reduzca el Fe³⁺ usando ácido ascórbico antes del paso 2.8 para estimar el hierro total en las muestras.
   NOTA: Todas las reacciones ocurren a temperatura ambiente. El complejo de ferroína se forma instantáneamente después de agregar Fe²⁺. Por lo tanto, el sensor funciona bien a temperatura ambiente y su tiempo de respuesta es muy corto, en unos pocos segundos.

3. Diseño y fabricación del prototipo del kit E-Eye-Enable POCT

1. Adquiera LDR, un LED blanco, una pantalla LCD, un microcontrolador de microprocesador y resistencias.
2. Coloque un LED y un LDR uno frente al otro en una caja impresa en 3D. La caja contiene una cubeta en la que se forma ferroína a través de la reacción de cerradura y llave, como se indica en la Figura 4A.
   NOTA: El LED utilizado aquí emite luz blanca; su diámetro es de unos 5 mm y su voltaje inverso es de 5 V. El LDR utilizado en el prototipo tiene una capacidad de detección de 5 Ω a 10 kΩ. Además, este LDR detecta efectivamente la longitud de onda que oscila entre 400 y 700 nm emitida por el LED utilizado aquí.
3. Complete el circuito con los componentes de hardware electrónico necesarios: resistencias (3,3 kΩ), cables de conexión y una unidad LCD (SKU: 11497).
4. Conecte todos los componentes anteriores con un microprocesador a través de un circuito divisor de voltaje representado en la Figura 4B. Realice la programación utilizando el IDE de Arduino v1.8.19. Lea la señal analógica basada en LED-LDR de cada canal utilizando pines analógicos (A0-A3).
   NOTA: El microprocesador actúa como la unidad central de procesamiento del circuito. El sistema de adquisición de datos optoelectrónico se construyó utilizando un microcontrolador Arduino Uno (Rev3).
5. Alberga los filtros electrónicos avanzados y sofisticados (resistencia 10 kΩ, capacitancia 1 μF) para mejorar la eficiencia del sensor suprimiendo el ruido y aumentando el vigor instrumental del dispositivo.
6. Imprima la placa de circuito impreso (PCB) si el diseño está completo.
7. Suministre la energía al circuito encendiendo el interruptor electrónico y registrando la respuesta del sensor en términos de resistencia.
   1. Después de encender el interruptor, el LED emite luz, que pasa a través de la cámara de reacción. El LDR detecta la intensidad de la luz transmitida y proporciona una resistencia. Correlacione esta resistencia con la concentración de Fe²⁺ presente en la muestra. Esta correlación de las muestras conocidas proporciona una calibración para el gráfico. Incorpore la ecuación obtenida de este gráfico de calibración dentro del algoritmo derivado.
8. El diagrama completo del circuito se representa en la Figura 4C. Imprima el dispositivo después de completar todos los pasos mencionados anteriormente en esta sección. La imagen real del dispositivo fabricado se muestra en la Figura 4D.
   NOTA: La impresión de la placa de circuito mejora la confiabilidad y garantiza una integración robusta de los componentes de hardware electrónico.

4. Desarrollo de un dispositivo multiplexado

NOTA: Se requieren múltiples canales para detectar múltiples analitos en una sola toma. Para ello, se instalan cuatro canales que se integran con el prototipo.

1. Cree cuatro ranuras en la caja 3D para mantener las cuatro cubetas en sus respectivas posiciones. Aísle cada ranura de detección óptica y electrónicamente para minimizar la interferencia, físicamente mediante barreras opacas entre canales y electrónicamente mediante el uso de pares LED-LDR separados y divisores de voltaje individuales para evitar la superposición de señales.
   1. Asigne una ranura a un analito en particular; No intercambie las ranuras. La ranura asignada a un analito en particular debe contener la cubeta que solo tiene reactivos específicos para ese analito.
2. Repita los protocolos mencionados en los pasos 3.3 a 3.7. Los cuatro pares de LED-LDR están conectados en paralelo a la placa de circuito. En la Figura 5 se muestra un diagrama de circuito representativo y una imagen del prototipo para seis de estas ranuras (6 ranuras).
3. Encienda el interruptor para suministrar energía al circuito. Todos los LED se iluminan; en consecuencia, los LDR detectan los cuatro analitos simultáneamente.
   NOTA: Funciona según el mismo principio que se discute en la nota en el paso 3.7. Es esencial tener en cuenta la resistencia en blanco; Cualquier cambio sujeto a factores externos justifica la recalibración. El dispositivo ha sido fabricado para espectroscopia UV-vis. Sin embargo, la fuente óptica (LED) utilizada en este trabajo abarca una longitud de onda de 400-750 nm. Por lo tanto, cualquier absorción compleja de UV o infrarrojo cercano puede no dar resultados precisos. El dispositivo solo puede funcionar en su rango lineal. Por lo tanto, cualquier analito contaminado en exceso o por debajo de este rango no puede proporcionar una salida confiable.

Resultados

Este manuscrito analiza el protocolo para diseñar y desarrollar un kit POCT multiplexado óptico, que detecta Fe, Cr, As y F en varias muestras. La Figura 1 muestra los algoritmos de todo el procedimiento. El sensor químico colorimétrico se desarrolla en base a los resultados de la simulación TD-DFT. Este sensor químico está integrado con un sensor óptico desarrollado en el país. El dispositivo final es un sensor digital POCT habilitado para E-Eye. La optimiz...

Discusión

La validación del kit POCT habilitado para E-Eye con respecto al estándar de oro (UV-vis) se muestra en la Figura 5. Para ello, se prepararon muestras enriquecidas de Fe²⁺ . Su concentración se midió por triplicado con el kit E-Eye POCT desarrollado y el espectrofotómetro UV-vis, y se ha informado del valor promedio. Se compararon ambas lecturas y se observó que el dispositivo concuerda con el estándar de oro. Los resultados demuestran que el kit ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
1,10-fenantrlina monohidrato (C12H8N2. H2O)	5144-89-8	Sigma Aldrich, India
1,5-difenilcarbazida (C13H14N4O)	140-22-7	Sigma Aldrich, India
Acetona (C3H6O)	67-64-1	Sigma Aldrich, India
¿Tetrahidrato de molibdato de amonio (¿NH?)? ¿Mo? O?? & middot; ¿4H? O)	12054-85-2	Sigma Aldrich, India
Placa de desarrollo Arduino UNO	SKU  A000066	Robu.in
Ácido ascórbico (C6H8O6)	50-81-7	Himedia, India
Tabla de pruebas	SKU: 24441	Robu.in
Cloruro férrico (FeCL3)	7705-08-0	Himedia, India
Sulfato ferroso heptahidratado (FeSO4.7H2O)	7782-63-0	Himedia, India
Ácido clorhídrico (HCl)	7647-01-0	Finar, India
Peróxido de hidrógeno (H2O2)	7722-84-1	Finar, India
Cables puentes	SKU: 44281	Robu.in
Diodo emisor de luz (LED)	SKU: R110553	Robu.in
Resistencia dependiente de la luz (LDR)	SKU: 1496181	Robu.in
Pantalla de cristal líquido (LCD)	SKU: 11497	Robu.in
Agua Milli-Q (18,2  MΩ)
Multímetro	SKU: 1720374	Robu.in
Ácido nítrico (HNO3)	7697-37-2	Finar, India
Suero tampón de fosfato (PBS)	SKU:  M1866	Himedia, India
Dicromato de potasio (K2Cr2O7)	7778-50-9	Himedia, India
Potenciómetro	SKU: 790452	Robu.in
Resistencias	SKU: R225238	Robu.in
El arsenato de sodio heptahidrato (Na2HAsO4· 7H2O)	10048-95-0	Himedia, India
Dihidrógeno fosfato de sodio (NaH2PO4)	13472-35-0	Himedia, India
Fluoruro de sodio (NaF)	7681-49-4	Himedia, India
Tiocianato de sodio (NaSCN)	540-72-7	Himedia, India
Ácido sulfúrico (H2SO4)	7664-93-9	Finar, India
Citrato trisódico dihidratado (Na3C6H5O7.2H2O)	03-04-6132	Himedia, India