TD-DFT Technique avancée de détection E-Eye guidée pour la quantification sur site de Fe, Cr, F et As dans les échantillons environnementaux, biologiques et alimentaires

Résumé

Dans le cadre de ces travaux, nous avons discuté du protocole de conception et de développement d’un dispositif POCT E-Eye-Enable pour détecter Fe, Cr, As et F dans des échantillons environnementaux, des échantillons biologiques, des aliments et des boissons. Près de 2000 échantillons ont été testés, et les résultats sont conformes à la technique de référence.

Résumé

Cet article présente le protocole étape par étape de la conception et du développement d’un kit de test multiplexé au point de service (POCT) compatible avec E-Eye. Nous utilisons la théorie de la fonction de densité dépendante du temps (TD-DFT) pour explorer le principe de fonctionnement de base des capteurs avant d’entrer dans les détails du matériel du dispositif. L’analyse TD-DFT donne le λ_max de l’élément ciblé, ce qui permet de trouver la route la plus précise pour détecter le polluant dans les analytes. L’analyse TD-DFT est réalisée dans les logiciels Gaussian 09 et Gauss View 5.0. Un capteur optique appelé œil électronique (E-Eye) a été développé sur la base de la valeur λ_max et du principe de la diode électroluminescente/résistance dépendante de la lumière (LED/LDR). Le dispositif E-Eye a été fabriqué avec une LED, un LDR placé l’un en face de l’autre et d’autres matériels, y compris un écran à cristaux liquides (LCD) interfacé avec un microprocesseur à travers un diviseur de tension, agissant comme un microprocesseur central. Dans un premier temps, tous les échantillons (environnementaux, biologiques, alimentaires) ont été prétraités pour extraire tous les éléments ciblés dans la phase aqueuse. La réaction spécifique (serrure et clé) a été effectuée dans le réacteur spécifié, et les lectures observées dans l’unité d’affichage ont été enregistrées. Un dispositif multiplexé localement a également été fabriqué pour détecter simultanément Fe, Cr, As et F. L’efficacité des capteurs a été testée sur plus de 2000 échantillons et comparée aux méthodes de référence. Une bonne précision a été confirmée avec une précision de 95,3 %, 94,7 % et 95,4 % en ce qui concerne les échantillons environnementaux, biologiques, alimentaires et de boissons. Il est important de noter que les performances du capteur d’arsenic ont été comparées aux résultats de la spectrométrie d’absorption atomique (AAS), et que tous les autres résultats, c’est-à-dire les capteurs de fer, de chrome et de fluorure, ont été comparés aux résultats obtenus à partir de l’analyse UV-Vis.

Introduction

Les métaux lourds jouent un rôle important dans le maintien de l’écosystème terrestre, qui est essentiel aux êtres humains¹. Au contraire, la croissance industrielle et la manipulation humaine des ressources naturelles au cours de l’ère récente ont conduit les métaux lourds à devenir un contaminant de la chaîne alimentaire et d’autres produits essentiels des êtres vivants, ce qui est une grave alarme pour la civilisation moderne. Elle est due à leur bioaccumulation dans les corps vivants et non vivants et à la nature de la non-dégradabilité². À cet égard, le gouvernement américain a longtemps évalué en permanence la qualité des aliments, y compris les aliments pour bébés, afin de surveiller la qualité des aliments. Au total, ils ont analysé plus de 22 éléments et plus de 3200 échantillons à travers leur pays³.

Dans de nombreux cas, les niveaux de métaux lourds ont dépassé la limite seuil recommandée par l’OMS et la Food and Drug Administration des États-Unis, ainsi que le rapport d’étude sur l’alimentation totale (TDS), juillet 2022. Une conclusion similaire peut être tirée à propos des masses d’eau et des sols d’Europe ^4,5. En plus du sol et de l’eau, la forte présence de métaux lourds met la vie^{en danger6,7}. Il est important de noter que l’Inde est un pays basé sur les rivières, et une enquête récente montre que plus de 43 % des rivières ont un niveau alarmant de nombreux métaux lourds et autres polluants ^8,9. Dans ce programme⁸, il a été accepté que les niveaux de plomb dans le sang chez plus de 27,5 millions d’enfants sont supérieurs à 5 μg / dL, ce qui est considéré comme dangereux.

Les discussions ci-dessus décrivent la nécessité d’une surveillance continue des métaux lourds et autres produits chimiques dangereux pour le bien-être de la société mondiale. Il existe diverses techniques de détection et de mesure de la concentration des métaux lourds, telles que la spectroscopie UV-Vis, l’AAS, la spectroscopie d’émission atomique plasma à couplage inductif (ICP-AES) et la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS), etc. (US Food and Drug Administration, Total Diet Study Report (TDS), juillet 2022)³. La nécessité d’un équipement haut de gamme et d’une main-d’œuvre qualifiée limite ces méthodes pour la détection rapide et sur site des métaux lourds. La situation décrite dans le paragraphe ci-dessus exige un kit de détection sur site convivial, rapide et précis pour les métaux lourds, qui peut aider à surveiller la qualité du sol, de l’air et de l’eau.

Il y a eu de nombreuses tentatives pour développer les kits de détection sur site susmentionnés^10,11 pour les métaux lourds. Certains d’entre eux^ont été couronnés de succès, et d’autres ^n’ont pas satisfait aux exigences des recommandations de l’OMS. Quelques-uns d’entre eux sont des capteurs numériques, qui affichent les valeurs numériques des concentrations des analytes 16,17,18. Le reste sont des capteurs qualitatifs comme les capteurs microfluidiques sur papier utilisés pour le test de grossesse, qui peuvent marquer la présence et l’absence des polluants ciblés dans l’échantillon¹⁹. Il existe plusieurs kits de différentes marques, marques et modèles disponibles dans le commerce, qui pourraient être régulièrement déployés pour tester la présence de métaux lourds dans l’eau et d’autres échantillons. Ces kits sont généralement classés en fonction d’indicateurs de performance clés tels que la portée de détection, le coût par échantillon, la sensibilité, la fiabilité opérationnelle et les compétences techniques requises. Par exemple, pour la détection du chrome, la plupart des trousses commerciales offrent des plages de détection allant jusqu’à 1 mg/L et quelques-unes jusqu’à 10 mg/L (Chemetrics²⁰), mais leurs limites de détection (LOD) et leurs dénombrements les plus faibles sont généralement supérieurs au seuil recommandé par l’Organisation mondiale de la santé (OMS) pour la salubrité de l’eau potable. Par exemple, le kit HACH²¹ (5-100) et (50-1000) mg/L, bien qu’il couvre une large gamme, présente une faible sensibilité à de faibles concentrations (compte minimal ≥5 mg/L) et coûte 125,95 mg par échantillon, ce qui nécessite des compétences expérimentales de base et une interprétation visuelle du changement de couleur. Les kits Hanna Hi3846²² et Himedia²³, bien que plus abordables (51,00 et 375,00 par échantillon, respectivement), présentent également une sensibilité limitée, le nombre le plus faible du kit Hanna étant de 0,2 mg/L. Les kits Merck²⁴ et Chemetrics²⁰ utilisent des affichages numériques et couvrent des plages de détection intermédiaires à élevées (2-10 mg/L). Pourtant, leurs coûts par échantillon sont nettement plus élevés (jusqu’à 823,20), et leur sensibilité reste sous-optimale pour la conformité réglementaire. Le kit BARC²⁵, bien que convivial et adapté à la catégorisation rapide de la sécurité de l’eau sur le terrain, souffre également d’une limite de détection relativement élevée (≥0,05 mg/L) et d’un rendement qualitatif plutôt que quantitatif.

De même, pour la détection du fluorure, les kits disponibles dans le commerce tels que Aquasol AE210²⁶ (gammes de 0,1 à 2 mg/L et 120 mg/L) et Himedia²⁷ (0 à 2,5 mg/L) sont parmi les plus abordables ( 6 et 11,60 par échantillon, respectivement), mais reposent sur une colorimétrie visuelle avec des limites de sensibilité non spécifiées et le temps nécessaire à l’analyse de l’échantillon. Les options de milieu de gamme comprennent les kits Merck Colourimetric²⁸ (plage de détection 0-0,8 mg/L, 292,20 par échantillon) et Photometric²⁹ (plage de détection 0,1-2,5 mg/L, 456 par échantillon), ce dernier offrant des affichages numériques à des coûts plus élevés. Des systèmes peu sophistiqués comme le Hanna Hi739³⁰ (plage de détection 20-20 mg/L, 362 par échantillon) et Prerana Laboratories³¹ (150 par échantillon) démontrent des compromis entre le temps de détection (≥1 minute pour Hanna contre 10-30 min pour Prerana) et la précision analytique, bien que les deux manquent de spécifications de sensibilité explicites. Les kits existants privilégient soit l’abordabilité avec une sensibilité compromise, soit une précision améliorée à des coûts élevés, avec des limites de détection compromises dans la gamme moyenne allant jusqu’à 20 mg/L.

Les kits de détection du fer disponibles dans le commerce présentent des caractéristiques de performance variées, avec des compromis importants entre la sensibilité, le coût et la complexité opérationnelle. L’AE303³² offre une plage de détection de 0 à 2 mg/L à 14 par échantillon, en utilisant une technique colorimétrique visuelle. De même, un autre kit de détection du fer, le HI3834³³, couvre 0-5 mg/L (52 par échantillon) avec un comptage minimal de 1 mg/L et un temps de détection de ≥ 4 min, nécessitant la capacité d’effectuer des expériences de base. L’Insa tech³⁴ sert à l’application de détection à haute concentration dans la gamme de 50 à 800 mg / L, bien que son coût élevé et sa sensibilité (≥50 mg / L) avec un temps de détection de 75 min limitent son application à des fins générales. Le kit³⁵ de Prerana Laboratories (plage de détection de 0 à 1 mg/L, 28 par échantillon) améliore la détection à faible concentration (sensibilité de 0,1 mg/L) mais prend un temps d’analyse de 30 min. Les bandelettes de test³⁶ de Hach (plage de détection de 0 à 5 mg/L, coût non spécifié) atteignent un nombre minimal de 0,15 mg/L mais reposent sur une interprétation subjective des couleurs.

Les kits commerciaux de détection de l’arsenic présentent une variabilité significative en termes de performances analytiques, de coûts et de complexité opérationnelle. Le kit de terrain^{BARC 37} (0-0,01 mg/L, 5-10 par échantillon) utilise un réactif non toxique et une analyse colorimétrique de 10 minutes, offrant une accessibilité rurale mais reposant sur une comparaison visuelle subjective. L’AE408³⁸ (0-0,1 mg/L/0-3 mg/L, 77,40 par échantillon) privilégie la portabilité et la conformité à l’APHA, bien que sa sensibilité ne soit pas précisée. Une sensibilité plus élevée est obtenue grâce au kit Lovibond³⁹ (0-0,5 mg/L, 500 par échantillon), qui détecte l’arsenic à 5 μg/L, conformément aux directives de l’OMS^, grâce à un protocole sûr, résistant aux interférences de sulfures. Les systèmes haut de gamme tels que le Cole-Parmer ITS^{kit 40} (limite de détection de 2 μg/L, 480 par échantillon) et le Palintest Visual Kit⁴¹ (200 tests/560 £, ~280 par échantillon) offrent une précision accrue avec la vérification EPA ou les systèmes à triple filtre, mais entraînent des coûts élevés.

Les kits de détection du chrome, du fluorure, du fer et de l’arsenic disponibles dans le commerce présentent des limites critiques en matière de sensibilité, de coût et de fiabilité opérationnelle qui entravent leur utilité sur le terrain. Pour le chrome, les kits commerciaux comme HACH (comptage minimal ≥5 mg/L) et Hanna Hi3846 (≥0,2 mg/L) fonctionnent au-dessus de la limite de l’OMS (0,05 mg/L), avec des coûts allant de 51 à 823 par test et une interprétation visuelle sujette aux erreurs. De même, les kits de fluorure tels que AE210 (résolution de 0,1 mg/L) et Photometric (456 par échantillon) privilégient l’abordabilité ou la précision, mais ne sont pas détectés rapidement et ne sont pas conformes aux normes de l’OMS. La détection du fer souffre d’un nombre minimal élevé de numérations (HI3834 : 1 mg/L ; bandelettes : 0,15 mg/L) et de temps d’analyse prolongés (Prerana : 30 min), tandis que les kits d’arsenic tels que BARC (10 μg/L LOD) et Lovibond (5 μg/L) sont confrontés à des écarts de fiabilité inférieurs à 70 μg/L et à des coûts élevés (jusqu’à 500/test). Le dispositif multi-analytes proposé comble ces lacunes grâce à des avancées transformatrices significatives en matière de détection ultra-sensible, de rentabilité, de convivialité et d’analyse rapide et sur site. En faisant le lien entre sensibilité et coût et en offrant des performances robustes dans des matrices complexes, ce dispositif résout les lacunes et les lacunes de longue date de la littérature sur la surveillance de la qualité de l’eau déployable sur le terrain, en particulier dans les régions à faibles ressources où l’abordabilité, la précision et la facilité d’utilisation sont primordiales. Sa capacité à détecter le niveau de conformité avec la fonctionnalité numérique au point d’intervention représente un changement de paradigme dans l’analyse de l’environnement et des soins de santé, surmontant les limites des solutions commerciales fragmentées et spécifiques aux analytes.

Dans le scénario actuel, la société exige un capteur pour diffuser la concentration réelle des différents polluants. Les kits de test de travail et de dépistage sur le lieu de service (POCT) existants répondent à cette exigence. Il est donc nécessaire de disposer d’un kit POCT robuste avec des performances comparables à celles des équipements haut de gamme tels que les UV-Vis, les AAS ou les ICP-MS, etc., capables de détecter plusieurs polluants. Le présent travail vise à développer une méthode robuste et des kits POCT pour servir cet objectif. Ici, une méthode et un kit POCT pour détecter différents métaux lourds dans des échantillons environnementaux, biologiques et alimentaires ont été développés. La technique de prétraitement des échantillons a été adoptée et mise en œuvre à l’aide du capteur optique développé localement pour quantifier Fe, As, Cr et F. Le capteur optique a été développé sur la base du principe de fonctionnement de LED-LDR ; c’est pourquoi on l’appelle le kit POCT compatible E-Eyes. Le dispositif POCT multiplexé mis au point et présenté dans ce travail démontre une forte applicabilité pratique pour la surveillance de la qualité de l’eau sur site, en particulier dans les milieux aux ressources limitées. Chaque créneau de détection dispose d’un analyte spécifique à l’aide de réactifs sélectifs et de conditions optimisées. La détection du Fe²⁺ fonctionne efficacement dans la plage de concentration de 0,01 à 5,0 mg/L, avec une limite de détection (LOD) de 0,017 mg/L. Le canal Cr, qui utilise la chimie du carbazide de diphényle, couvre une plage dynamique de 10 à 500 μg/L et atteint une LD de 10,78 μg/L. La détection du fluorure par la méthode de décoloration complexe Fe-SCN permet une détection fiable de 0,5 à 47,5 mg/L, avec une LD de 0,46 mg/L. D’après la réaction au bleu de molybdène, la détection de l’arsenic est efficace sur une plage de 5 à 100 μg/L avec une LD de 8 μg/L. Toutes les réactions sont effectuées à température ambiante (25 ± 2 °C), et l’ensemble du test est réalisé en moins de 5 minutes sans nécessiter d’instrumentation sophistiquée ou de personnel qualifié. Ces caractéristiques confirment l’applicabilité de la méthode et sa conformité aux normes de qualité de l’eau de l’OMS. Avant d’effectuer la réaction en laboratoire, la théorie de la fonction de densité dépendante du temps (TD-DFT) a été adoptée pour établir les réactions chimiques spécifiques (serrure et clé) pour chaque analyte. Cette analyse TD-DFT prédit également le λ_max probable respectif du réactif et le produit principal de la réaction, qui est l’épine dorsale fondamentale du capteur et garantit l’efficacité probable du capteur. Un prototype a été développé pour le kit POCT compatible E-Eyes, et le prototype a été traduit en un appareil. L’ensemble du flux de travail a été illustré à la figure 1. L’appareil a été testé sur plus de 2000 échantillons, et ses performances ont été comparées aux résultats obtenus à l’aide d’UV-Vis, d’ICP-MS et d’AAS. Dans tous les cas, les performances de l’appareil sont très satisfaisantes avec des écarts minimaux et maximaux de 1,25 % et 6,25 %, respectivement.

Protocole

1. Calcul et validation du mécanisme de détection de la réaction

1. Sélectionnez la réaction de la serrure et de la clé en fonction du principe chimique de base de l’analyte ciblé.
2. Utilisez le programme Gaussian 09 pour effectuer tous les calculs à l’aide de la méthode hybride Becke, 3-paramètre, Lee-Yang-Parr (B3LYP) et de l’ensemble^{de base 14} Double ζ du Los Alamos National Laboratory 2 (LanL2DZ) afin d’obtenir des résultats plus précis dans le calcul électronique impliquant l’analyte ciblé. Ici, le protocole est discuté pour le fer (Fe) seulement, ce qui s’applique à tous les autres analytes.
3. Introduire l’approche SCRF (Self-consistent Reaction Field) avec le modèle du continuum polarisable (PCM) pour tenir compte de l’effet solvant. L’eau est supposée être un solvant dans ce protocole.
4. Optimisez la géométrie moléculaire à l’aide de la fonction geom=connectivity. Il est utile de conserver des informations de liaison explicites dans le processus d’optimisation.
5. Calculez l’énergie de l’état fondamental nécessaire pour calculer la structure optimisée de la molécule, en utilisant les étapes mentionnées en 1.2 et 1.3.
6. Obtenir la transition électronique à l’état excité par la méthode TD-SCF (Time-Dependent Self-Consistent Field) (ns=60)¹⁴. Utilisez la même méthode pour obtenir les spectres d’absorption UV.
7. Optimisez la géométrie de la molécule par des calculs DFT de l’état fondamental à l’aide de la fonction B3LYP et de l’ensemble de bases LanL2DZ.
8. Obtenez la structure optimisée de la 1,10-phénanthroline et du Fe²⁺ comme le montre la figure 2A,B.
9. De même, simulez la structure moléculaire de l’hexafluoroferrate (FeF₆), qui a une structure octaédrique avec Fe³⁺ comme atome central entouré de 6 atomes F^- , comme le montre la figure 2C.
   REMARQUE : La réaction, c’est-à-dire la formation de ferroïne, est spécifique du Fe²⁺. C’est pourquoi, dans un premier temps, Fe³⁺ doit être réduit à Fe²⁺ selon la réaction ci-dessous.
   
   Le Fe²⁺ réagit rapidement avec la 1,10-phénanthroline et forme de la ferroïne, un complexe de couleur orange visible à l’œil nu (voir la réaction ci-dessous). Cette réaction est le cœur du capteur, comme le montre la figure 2.

2. Développement d’un capteur chimique colorimétrique

1. Procurez-vous les produits chimiques de qualité analytique nécessaires à la réaction ci-dessus.
2. Transférez des volumes égaux de citrate trisodique dihydraté, d’acide ascorbique et de 1,10-phénanthroline dans un tube de culture en verre transparent.
   1. Dans l’expérience, 1 mL de chaque réactif a été prélevé dans un tube de culture en verre transparent de 5 mL. Après avoir ajouté 1 mL de chaque réactif (1 mL d’acide ascorbique, 1 mL de citrate trisodique et 1 mL de phénanthroline), ajoutez 2 mL de bouillon. Si 5 mg/L de matière première ont été ajoutés, la concentration finale est de 2 mg/L (C1V1 = C2V2) et le volume final est de 5 mL.
3. Optimisez le rapport des réactifs pour atteindre le pH du milieu réactionnel à l’aide d’acide ascorbique, qui agit également comme un agent masquant. Optimiser les réactifs pour atteindre un pH de 2 à l’absorbance maximale à une longueur d’onde de 510 nm.
4. Utilisez un agent masquant pour éliminer les interférences du cuivre, car la 1,10-phénanthroline forme également un complexe de couleur jaune avec le cuivre dans un environnement alcalin.
   REMARQUE : Le cuivre peut interférer avec la réaction car la 1,10-phénanthroline forme également un complexe de couleur jaune avec le cuivre dans un environnement alcalin. Ainsi, le maintien du pH du milieu est très crucial. L’acide ascorbique sert l’objectif. Cependant, le pH peut changer avec le temps et l’azote de la 1,10-phénanthroline peut être protoné à ce pH bas. Pour surmonter ces difficultés, un tampon de citrate trisodique est utilisé, qui aide à maintenir le pH et à prévenir la protonation de la 1,10-phénanthroline.
5. Préparez les solutions de Fe²⁺ avec différentes concentrations allant de 0,05 mg/L à 4,0 mg/L à partir de FeSO_{4,7H 2}O.
6. Ajoutez 1 mL de cette solution au mélange réactionnel illustré à la figure 3A, qui donne de la ferroïne de couleur orange comme indicateur du Fe²⁺ (figure 3B).
   REMARQUE : Ici, l’ajout de la solution mère au mélange de réactifs est le point de contrôle visuel, qui produit la couleur orange. Une attention particulière doit être accordée aux agents réducteurs, car la 1,10-phénanthroline est sélective pour le Fe²⁺ et ne forme pas de complexe avec le Fe³⁺.
7. Prélevez les échantillons bruts et filtrez à l’aide d’un papier Whatman de la taille d’un pore, d’un papier filtre de 20 à 25 μm. Effectuer la dilution post-filtration si nécessaire¹⁴.
   1. Prélever des échantillons d’eau directement à partir de sources environnementales (p. ex., le fleuve Brahmapoutre) dans des bouteilles en polyéthylène haute densité prénettoyées et lavées à l’acide. Boucher immédiatement les flacons et filtrer (dans les 2 h) à l’aide d’un papier filtre Whatman de 20-25 μm de taille de pore. Effectuer un prétraitement pour enlever les sédiments et la couleur des échantillons autres que l’eau DI enrichie (principalement des échantillons environnementaux ; voir le fichier supplémentaire 1).
8. Mesurez la quantité de fer dans les échantillons à l’aide de la spectroscopie UV-Vis dans une gamme de longueurs d’onde de 250 à 750 nm, qui est considérée comme la technique de référence dans la mesure actuelle.
   1. Placez les échantillons dans des cuvettes en quartz d’une longueur de 1 cm. Prenez les mesures d’absorbance à des longueurs d’onde spécifiques correspondant à l’absorbance maximale de chaque analyte en trois exemplaires. Effectuez la correction de la ligne de base à l’aide d’un blanc contenant la même eau. Effectuer toutes les mesures à température ambiante dans des conditions de laboratoire standard (vitesse de balayage : moyenne, type de mesure : absorbance, largeur de la fente : 5,0 L, détecteurs : directs) pour assurer l’uniformité et la fiabilité des résultats.
      REMARQUE : Les cuvettes Quratz utilisées pour la spectroscopie UV-vis doivent être optiquement identiques et transparentes pour garantir des mesures d’absorbance précises. Toute tache, résidu ou égratignure visible peut introduire des erreurs importantes et justifier un remplacement immédiat.
9. Enrichissez les échantillons avec du Fe²⁺ à différentes concentrations allant de 0,05 à 4 mg/L, si le Fe²⁺ n’est pas trouvé à l’étape 2.8. Réduire Fe³⁺ à l’aide d’acide ascorbique avant l’étape 2.8 pour estimer la quantité totale de fer dans les échantillons.
   REMARQUE : Toutes les réactions se produisent à température ambiante. Le complexe ferroïne se forme instantanément après l’ajout de Fe²⁺. Par conséquent, le capteur fonctionne bien à température ambiante et son temps de réponse est très court, en quelques secondes.

3. Conception et fabrication du prototype du kit POCT E-Eye-Enable

1. Procurez-vous LDR, une LED blanche, un écran LCD, un microcontrôleur à microprocesseur et des résistances.
2. Disposez une LED et un LDR l’un en face de l’autre sur une boîte imprimée en 3D. La boîte contient une cuvette dans laquelle la ferroïne est formée par la réaction de la serrure et de la clé, comme indiqué à la figure 4A.
   REMARQUE : La LED utilisée ici émet une lumière blanche ; son diamètre est d’environ 5 mm et sa tension inverse est de 5 V. Le LDR utilisé dans le prototype a une capacité de détection de 5 Ω à 10 kΩ. De plus, ce LDR détecte efficacement la longueur d’onde allant de 400 à 700 nm émise par la LED utilisée ici.
3. Complétez le circuit avec les composants électroniques nécessaires : résistances (3,3 kΩ), fils de connexion et une unité LCD (SKU : 11497).
4. Interfacez tous les composants ci-dessus à l’aide d’un microprocesseur à travers un circuit diviseur de tension illustré à la Figure 4B. Effectuez la programmation à l’aide de l’IDE Arduino v1.8.19. Lisez le signal analogique basé sur LED-LDR de chaque canal à l’aide de broches analogiques (A0-A3).
   REMARQUE : Le microprocesseur agit comme l’unité centrale de traitement du circuit. Le système d’acquisition de données optoélectroniques a été construit à l’aide d’un microcontrôleur Arduino Uno (Rev3).
5. Abritent les filtres électroniques avancés et sophistiqués (résistance 10 kΩ, capacité 1 μF) pour améliorer l’efficacité du capteur en supprimant le bruit et en augmentant la vigueur instrumentale de l’appareil.
6. Imprimez la carte de circuit imprimé (PCB) si la conception est terminée.
7. Alimentez le circuit en allumant l’interrupteur électronique et en enregistrant la réponse du capteur en termes de résistance.
   1. Après avoir allumé l’interrupteur, la LED émet de la lumière, qui traverse la chambre de réaction. Le LDR détecte l’intensité de la lumière transmise et donne une résistance. Corrélez cette résistance avec la concentration de Fe²⁺ présente dans l’échantillon. Cette corrélation des échantillons connus fournit un étalonnage pour le graphique. Incorporez l’équation obtenue à partir de ce graphique d’étalonnage dans l’algorithme dérivé.
8. L’ensemble du schéma de circuit est illustré à la figure 4C. Imprimez l’appareil après avoir effectué toutes les étapes mentionnées ci-dessus dans cette section. L’image réelle de l’appareil fabriqué est illustrée à la figure 4D.
   REMARQUE : L’impression du circuit imprimé améliore la fiabilité et garantit une intégration robuste des composants matériels électroniques.

4. Développement d’un dispositif multiplexé

REMARQUE : Plusieurs canaux sont nécessaires pour détecter plusieurs analytes en une seule prise. Pour cela, quatre canaux sont installés et intégrés au prototype.

1. Créez quatre fentes dans la boîte 3D pour maintenir les quatre cuvettes dans leurs positions respectives. Isolez chaque emplacement de détection optiquement et électroniquement pour minimiser les interférences, physiquement par des barrières opaques entre les canaux, et électroniquement en utilisant des paires LED-LDR distinctes et des diviseurs de tension individuels pour éviter le chevauchement des signaux.
   1. Attribuer un emplacement à un analyte particulier ; Ne pas intervertir les fentes. L’emplacement attribué à un analyte particulier doit contenir la cuvette qui ne contient que des réactifs spécifiques à cet analyte.
2. Répétez les protocoles mentionnés aux étapes 3.3 à 3.7. Les quatre paires de LED-LDR sont connectées en parallèle au circuit imprimé. La figure 5 présente un schéma de circuit représentatif et une image du prototype pour six de ces emplacements (6 emplacements).
3. Allumez l’interrupteur pour alimenter le circuit. Toutes les LED s’allument ; par conséquent, les LDR détectent les quatre analytes simultanément.
   REMARQUE : Il fonctionne sur le même principe que celui décrit dans la note à l’étape 3.7. Il est essentiel de noter la résistance à blanc ; Tout changement soumis à des facteurs externes justifie un recalibrage. L’appareil a été fabriqué pour la spectroscopie UV-vis. Cependant, la source optique (LED) utilisée dans ce travail englobe une longueur d’onde de 400 à 750 nm. Par conséquent, toute absorption complexe d’UV ou de proche infrarouge peut ne pas donner de résultats précis. L’appareil ne peut fonctionner que dans sa plage linéaire. Par conséquent, tout analyte contaminé en excès ou en dessous de cette plage ne peut pas fournir un résultat fiable.

Résultats

Ce manuscrit traite du protocole de conception et de développement d’un kit POCT multiplexé optique, qui détecte Fe, Cr, As et F dans divers échantillons. La figure 1 montre les algorithmes de l’ensemble de la procédure. Le capteur chimique colorimétrique est développé sur la base des résultats de la simulation TD-DFT. Ce capteur chimique est intégré à un capteur optique développé localement. Le dernier appareil est un capteur numérique POCT compatible E-Eye...

Discussion

La validation du kit POCT compatible E-Eye par rapport à l’étalon-or (UV-vis) est illustrée à la figure 5. À cette fin, des échantillons enrichis de Fe²⁺ ont été préparés. Sa concentration a été mesurée en trois exemplaires avec le kit POCT E-Eye développé et le spectrophotomètre UV-vis, et la valeur moyenne a été rapportée. Les deux lectures ont été comparées, et il a été observé que l’appareil est conforme à l’étalon-or. Les résultats prouvent q...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
1,10-phénanthroline monohydrate (C12H8N2. H2O)	5144-89-8	Sigma Aldrich, Inde
1,5-diphénylcarbazide (C13H14N4O)	140-22-7	Sigma Aldrich, Inde
Acétone (C3H6O)	67-64-1	Sigma Aldrich, Inde
Ammonium molybdate tétrahydrate ((NH ?) ? Mo ? O?? & middot ; 4H ? O)	12054-85-2	Sigma Aldrich, Inde
Carte de développement Arduino UNO	SKU  ; A000066	Robu.in
Acide ascorbique (C6H8O6)	50-81-7  ;	Himedia, Inde
Breadboard	SKU : 24441	Robu.in
Chlorure ferrique (FeCL3)	7705-08-0  ;	Himedia, Inde
Sulfate ferreux heptahydrate (FeSO4.7H2O)	7782-63-0  ;	Himedia, Inde
Acide chlorhydrique (HCl)	7647-01-0  ;	Finar, Inde
Peroxyde d’hydrogène (H2O2)	7722-84-1  ;	Finar, Inde
Fils de démarrage	Rédaction : 44281	Robu.in
Diode électrolumineuse (LED)	SKU : R110553	Robu.in
Résistance dépendante de la lumière (LDR)	SKU : 1496181	Robu.in
Affichage à cristaux liquides (LCD)	SKU : 11497	Robu.in
Milli-Q Water (18,2  ; M&Omega ;)  ;
Multimètre	SKU : 1720374	Robu.in
Acide nitrique (HNO3)	7697-37-2  ;	Finar, Inde
Solution tampon de phosphate (PBS)	SKU :  ; M1866	Himedia, Inde
Dichromate de potassium (K2Cr2O7)	7778-50-9  ;	Himedia, Inde
Potentiomètre	SKU : 790452	Robu.in
Résistances	SKU : R225238	Robu.in
L’arsénate sodique heptahydrate (Na2HAsO4· ; 7H2O)	10048-95-0  ;	Himedia, Inde
Phosphate de sodium dihydrogène (NaH2PO4)  ;	13472-35-0  ;	Himedia, Inde
Fluorure de sodium (NaF)	7681-49-4	Himedia, Inde
Thiocyanate de sodium (NaSCN)	540-72-7  ;	Himedia, Inde
Acide sulfurique (H2SO4)	7664-93-9  ;	Finar, Inde
Citrate trisodique dihydré (Na3C6H5O7.2H2O)	03-04-6132	Himedia, Inde