מאמר שיטה

טכניקת חישת עין אלקטרונית מתקדמת מונחית TD-DFT לכימות באתר של Fe, Cr, F ו-AS בדגימות סביבתיות, ביולוגיות ומזון

DOI:

10.3791/68767

⸱

19 בספטמבר 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

במאמר זה

סיכום

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

עבודה זו דנה בפרוטוקול לתכנון ופיתוח מכשיר E-Eye-Enable POCT לזיהוי Fe, Cr, As ו-F בדגימות סביבתיות, דגימות ביולוגיות ומזון ומשקאות. כמעט 2000 דגימות נבדקו, והתוצאות תואמות את טכניקת תקן הזהב.

תקציר

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

מאמר זה מדגים את הפרוטוקול צעד-אחר-צעד של תכנון ופיתוח ערכת בדיקת נקודת טיפול מרובה (POCT) התומכת ב-E-Eye. אנו משתמשים בתורת פונקציית הצפיפות תלוית הזמן (TD-DFT) כדי לחקור את עקרון העבודה הבסיסי של החיישנים לפני שנכנסים לפרטי החומרה של המכשיר. ניתוח TD-DFT נותן אתהמקסימום λ של האלמנט הממוקד, מה שעוזר למצוא את המסלול המדויק ביותר לגילוי המזהם באנליטים. ניתוח TD-DFT מבוצע בתוכנות Gaussian 09 ו-Gauss View 5.0. חיישן אופטי הנקרא העין האלקטרונית (E-Eye) פותח על בסיס הערךהמקסימלי λ ועקרון הדיודה פולטת האור/נגד תלוי אור (LED/LDR). מכשיר ה-E-Eye יוצר עם LED, LDR הממוקם זה מול זה וחומרה אחרת, כולל תצוגת גביש נוזלי (LCD) המתממשקת עם מיקרו-מעבד על פני מחלק מתח, הפועל כמיקרו-מעבד מרכזי. בתחילה, כל הדגימות (סביבתיות, ביולוגיות, מזון ומשקאות) עובדו מראש כדי לחלץ את כל היסודות הממוקדים בשלב הימי. התגובה הספציפית (מנעול ומפתח) בוצעה בכור שצוין, וקריאות שנצפו ביחידת התצוגה נרשמו. כמו כן, נוצר מכשיר מרובה מקומי כדי לזהות Fe, Cr, As ו-F בו זמנית. יעילות החיישנים נבדקה מול יותר מ-2000 דגימות והושוותה לשיטות תקן הזהב. דיוק טוב אושר עם דיוק של 95.3%, 94.7% ו-95.4% ביחס לדגימות של סביבה, ביולוגית ומזון ומשקאות. חשוב לציין כי הביצועים של חיישן הארסן הושוו לתוצאות ספקטרומטריית ספיגה אטומית (AAS), וכל שאר התוצאות, כלומר חיישנים לברזל, כרום ופלואוריד, הושוו לתוצאות שהתקבלו מניתוח UV-Vis.

מבוא

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

מתכות כבדות ממלאות תפקיד משמעותי בשמירה על המערכת האקולוגית של כדור הארץ, החיונית לבני אדם1. נהפוך הוא, הצמיחה התעשייתית והטיפול במשאבי הטבע בעידן האחרון הובילו לכך שמתכות כבדות הפכו למזהמים את שרשרת המזון וסחורות חיוניות אחרות של יצורים חיים, מה שמהווה אזעקה רצינית לציוויליזציה המודרנית. זה נובע מההצטברות הביולוגית שלהם בגופים חיים ולא חיים ואופי הבלתי מתכלה2. בהקשר זה, ממשלת ארה"ב העריכה באופן רציף את דרגת המזון, כולל מזון לתינוקות, במשך זמן רב כדי לפקח על איכות המזון. בסך הכל, הם ניתחו יותר מ-22 אלמנטים ויותר מ-3200 דגימות ברחבי ארצם3.

במקרים רבים, רמות המתכות הכבדות חצו את גבול הסף המומלץ על ידי ארגון הבריאות העולמי ומינהל המזון והתרופות האמריקאי, ודוח מחקר הדיאטה הכולל (TDS), יולי 2022. מסקנה דומה ניתן להסיק לגבי גופי המים והקרקעות של אירופה 4,5. בנוסף לאדמה ומים, הנוכחות החזקה של מתכות כבדות מסכנת חיים 6,7. חשוב לציין כי הודו היא מדינה מבוססת נהרות, וסקר שנערך לאחרונה מראה כי ביותר מ-43% מהנהרות יש רמה מדאיגה של מתכות כבדות ומזהמים אחרים 8,9. בתוכנית זו8, התקבל כי רמות העופרת בדם ביותר מ-27.5 מיליון ילדים הן יותר מ-5 מיקרוגרם/ד"ל, מה שנחשב לא בטוח.

הדיונים לעיל מתארים את הצורך בניטור רציף של מתכות כבדות וכימיקלים מסוכנים אחרים לרווחת החברה העולמית. ישנן טכניקות שונות לזיהוי ומדידת ריכוז של מתכות כבדות, כגון ספקטרוסקופיה UV-Vis, AAS, ספקטרוסקופיה אינדוקטיבית של פליטת פלזמה-אטומית (ICP-AES), וספקטרומטריית פלזמה-מסה בצימוד אינדוקטיבי (ICP-MS) וכו' (מינהל המזון והתרופות האמריקאי, דוח מחקר תזונה כולל (TDS), יולי 2022)3. הצורך בציוד מתקדם ובכוח עבודה מיומן מגביל את השיטות הללו לגילוי מהיר ובאתר של מתכות כבדות. המצב שנדון בפסקה לעיל דורש ערכת גילוי ידידותית למשתמש, מהירה ומדויקת באתר למתכות כבדות, שיכולה לעזור לנטר את איכות האדמה, האוויר והמים.

נעשו ניסיונות רבים לפתח את ערכות הגילוי באתר הנ"ל10,11 למתכות כבדות. חלקם 12,13,14,15 הצליחו,וכ-13 לא עמדו בדרישות המלצות ארגון הבריאות העולמי. כמה מהם הם חיישנים דיגיטליים, המציגים את הערכים הדיגיטליים של ריכוזי האנליטים 16,17,18. השאר הם חיישנים איכותיים כמו חיישנים מיקרופלואידיים מבוססי נייר המשמשים לבדיקת ההריון, שיכולים לסמן את נוכחותם והיעדרם של המזהמים הממוקדים בדגימה19. ישנן מספר ערכות של מותגים, יצרנים ודגמים שונים הזמינים מסחרית בשוק, שניתן לפרוס באופן שגרתי כדי לבדוק נוכחות של מתכות כבדות במים ודגימות אחרות. ערכות אלו מדורגות בדרך כלל על סמך מדדי ביצועים מרכזיים כגון טווח זיהוי, עלות לדגימה, רגישות, אמינות תפעולית והמיומנויות הטכניות הנדרשות. לדוגמה, לזיהוי כרום, רוב הערכות המסחריות מציעות טווחי זיהוי של עד 1 מ"ג/ליטר, וכמה עד 10 מ"ג/ליטר (כימיה20), אך גבולות הזיהוי שלהן (LODs) והספירה הנמוכה ביותר שלהן הן בדרך כלל מעל הסף המומלץ של ארגון הבריאות העולמי (WHO) למי שתייה בטוחים. לדוגמה, ערכת HACH21 (5-100) ו-(50-1000) מ"ג/ליטר, למרות שהיא מכסה טווח רחב, מדגימה רגישות ירודה בריכוזים נמוכים (ספירה נמוכה ≥5 מ"ג/ליטר) ועולה figure-introduction-1125.95 לדגימה, הדורשת מיומנויות ניסוי בסיסיות ופרשנות חזותית משינוי צבע. ערכות Hanna Hi384622 ו-Himedia23, למרות שהן זולות יותר (figure-introduction-251.00 ו-375.00 figure-introduction-3לדגימה, בהתאמה), מציגות גם רגישות מוגבלת, כאשר הספירה הנמוכה ביותר של ערכת Hanna היא 0.2 מ"ג/ליטר. ערכות Merck24 ו-Chemetrics20 משתמשות בקריאות דיגיטליות ומשתרעות על טווחי זיהוי בינוניים עד גבוהים (2-10 מ"ג/ליטר). ובכל זאת, העלויות שלהם לדגימה גבוהות משמעותית (עד figure-introduction-4823.20), והרגישות שלהם נותרה לא אופטימלית לעמידה ברגולציה. ערכת BARC25, למרות שהיא ידידותית למשתמש ומתאימה לסיווג שדה מהיר של בטיחות מים, סובלת גם ממגבלת זיהוי גבוהה יחסית (≥0.05 מ"ג/ליטר) ותפוקה איכותית, ולא כמותית.

באופן דומה, לזיהוי פלואוריד, הערכות הזמינות מסחרית כגון Aquasol AE21026 (טווחים של 0.1-2 מ"ג/ליטר ו-120 מ"ג/ליטר) וערכות Himedia27 (0-2.5 מ"ג/ליטר) הן בין הזולות ביותר עם 6 ו-11.60 figure-introduction-5figure-introduction-6לדגימה, בהתאמה, אך מסתמכות על קולורימטריה חזותית עם מגבלות רגישות לא מוגדרות וזמן שלוקח לניתוח הדגימה. אפשרויות הביניים כוללות את Merck Colourimetric28 (טווח זיהוי 0-0.8 מ"ג/ליטר, figure-introduction-7292.20 לדגימה)ו-29 ערכות פוטומטריות (טווח זיהוי 0.1-2.5 מ"ג/ליטר, figure-introduction-8456 לדגימה), כאשר האחרונה מציעה קריאות דיגיטליות בעלויות גבוהות יותר. מערכות מתוחכמות קטנות כמו Hanna Hi73930 (טווח זיהוי 20-20 מ"ג/ליטר, figure-introduction-9362 לדגימה) ומעבדות Prerana31 (figure-introduction-10150 לדגימה) מדגימות פשרות בין זמן הזיהוי (≥דקה אחת עבור האנה לעומת 10-30 דקות עבור פרראנה) ודיוק אנליטי, אם כי לשתיהן אין מפרט רגישות מפורש. ערכות קיימות נותנות עדיפות למחיר סביר עם רגישות פגומה או דיוק משופר בעלויות גבוהות, כאשר מגבלות הזיהוי נפגעות בטווח הבינוני של עד 20 מ"ג/ליטר.

ערכות גילוי ברזל זמינות מסחרית מציגות מאפייני ביצועים מגוונים, עם פשרות משמעותיות בין רגישות, עלות ומורכבות תפעולית. ה- AE30332 מציע תחום גילוי של 0-2 מ"ג/ליטר ב- figure-introduction-1114 לכל דגימה, תוך שימוש בטכניקה קולורימטרית חזותית. באופן דומה, ערכה נוספת כזו לגילוי ברזל, HI383433, מכסה 0-5 מ"ג/ליטר (figure-introduction-1252 לדגימה) עם ספירה מינימלית של 1 מ"ג/ליטר וזמן זיהוי של ≥-4 דקות, הדורש יכולת לבצע ניסויים בסיסיים. ה-Insa tech34 משרת יישום של זיהוי ריכוז גבוה בטווח של 50-800 מ"ג/ליטר, אם כי העלות והרגישות הגבוהות שלו (≥50 מ"ג/ליטר) עם זמן זיהוי של 75 דקות מגבילים את יישומו למטרות כלליות. ערכת Prerana Laboratories35 (טווח זיהוי 0-1 מ"ג/ליטר, figure-introduction-1328 לדגימה) משפרת את הזיהוי בריכוז נמוך (רגישות של 0.1 מ"ג/ליטר) אך לוקחת זמן ניתוח של 30 דקות. רצועות הבדיקה של Hach36 (טווח זיהוי 0-5 מ"ג/ליטר, עלות לא מוגדרת) משיגות ספירה מינימלית של 0.15 מ"ג/ליטר אך מסתמכות על פרשנות צבע סובייקטיבית.

ערכות זיהוי ארסן מסחריות מדגימות שונות משמעותית בביצועים האנליטיים, העלות והמורכבות התפעולית. ערכת השדהBARC 37 (0-0.01 מ"ג/ליטר, figure-introduction-145-10 לדגימה) משתמשת במגיב לא רעיל וניתוח קולורימטרי של 10 דקות, המציעה נגישות כפרית אך מסתמכת על השוואה חזותית סובייקטיבית. ה-AE40838 (0-0.1 מ"ג/ליטר/0-3 מ"ג/ליטר, figure-introduction-1577.40 לדגימה) נותן עדיפות לניידות ותאימות ל-APHA, אם כי הרגישות שלו נותרה לא מוגדרת. רגישות גבוהה יותר מושגת על ידי ערכת Lovibond39 (0-0.5 מ"ג/ליטר, figure-introduction-16500 לדגימה, המזהה ארסן ב-5 מיקרוגרם/ליטר, העומדת בהנחיות ארגון הבריאות העולמי, באמצעות פרוטוקול בטוח ועמיד בפני הפרעות סולפיד. מערכות פרימיום כמו Cole-Parmer ITSkit 40 (מגבלת זיהוי של 2 מיקרוגרם/ליטר, figure-introduction-17480 לדגימה) ו-Palintest Visual Kit41 (200 בדיקות/£560, ~figure-introduction-18280 לדגימה) מציעות דיוק משופר עם אימות EPA או מערכות סינון משולש אך כרוכות בעלויות גבוהות.

ערכות גילוי זמינות מסחרית עבור כרום, פלואוריד, ברזל וארסן מציגות מגבלות רגישות, עלות ואמינות תפעולית קריטיות המעכבות את התועלת שלהן בהגדרות שדה. עבור כרום, ערכות מסחריות כמו HACH (הספירה הנמוכה ביותר ≥5 מ"ג/ליטר) ו-Hanna Hi3846 (≥0.2 מ"ג/ליטר) פועלות מעל הגבול של ארגון הבריאות העולמי (0.05 מ"ג/ליטר), עם עלויות הנעות בין figure-introduction-1951-823 לבדיקה והסתמכות על פרשנות חזותית מועדת לשגיאות. באופן דומה, ערכות פלואוריד כגון AE210 (רזולוציה של 0.1 מ"ג/ליטר) ופוטומטריות (figure-introduction-20456 לדגימה) נותנות עדיפות למחיר סביר או דיוק אך חסרות זיהוי מהיר ותואם תת-ארגון הבריאות העולמי. זיהוי ברזל סובל מספירות גבוהות לפחות (HI3834: 1 מ"ג/ליטר; רצועות: 0.15 מ"ג/ליטר) וזמני ניתוח ממושכים (פררנה: 30 דקות), בעוד שערכות ארסן כמו BARC (10 מיקרוגרם/ליטר LOD) ולוביבונד (5 מיקרוגרם/ליטר) מתמודדות עם פערי אמינות מתחת ל-70 מיקרוגרם/ליטר ועלויות תלולות (עד figure-introduction-21 500/בדיקה). המכשיר הרב-אנליטי המוצע מטפל בלקונות אלה באמצעות התקדמות טרנספורמטיבית משמעותית בגילוי רגיש במיוחד, עלות-תועלת, ידידותיות למשתמש וניתוח מהיר באתר. על ידי גישור על הפשרה בין רגישות לעלות ומתן ביצועים חסונים במטריצות מורכבות, מכשיר זה פותר פערי ספרות ארוכי שנים ולקונות בניטור איכות מים הניתנים לפריסה בשטח, במיוחד באזורים דלי משאבים שבהם סבירות, דיוק וקלות שימוש הם בעלי חשיבות עליונה. היכולת שלה לזהות דרגת תאימות עם פונקציונליות של נקודת טיפול דיגיטלית מייצגת שינוי פרדיגמה בניתוח סביבתי ובריאותי, תוך התגברות על המגבלות של פתרונות מסחריים מקוטעים וספציפיים לאנליטים.

בתרחיש הנוכחי, החברה דורשת חיישן שישדר את הריכוז האמיתי של המזהמים השונים. ערכות העבודה והבדיקות הקיימות (POCT) עומדות בדרישה זו. לכן, יש צורך בערכת POCT חזקה עם ביצועים דומים לאלה של ציוד מתקדם כמו UV-Vis, AAS או ICP-MS וכו', המסוגל לזהות מזהמים מרובים. העבודה הנוכחית שואפת לפתח שיטה חזקה וערכות POCT כדי לשרת את המטרה. כאן פותחה שיטה וערכת POCT לאיתור מתכות כבדות שונות בדגימות סביבתיות, ביולוגיות ומזון ומשקאות. טכניקת העיבוד המקדים של הדגימות אומצה ויושמה באמצעות החיישן האופטי שפותח באופן מקומי כדי לכמת Fe, As, Cr ו-F. החיישן האופטי פותח על בסיס עקרון העבודה של LED-LDR; לכן היא נקראת ערכת POCT התומכת ב-E-Eyes. מכשיר ה-POCT המרובה שפותח שדווח בעבודה זו מדגים ישימות מעשית חזקה לניטור איכות המים באתר, במיוחד בסביבות מוגבלות במשאבים. לכל חריץ זיהוי יש אנליט ספציפי באמצעות ריאגנטים סלקטיביים ותנאים אופטימליים. זיהוי Fe2+ פועל ביעילות בטווח הריכוזים של 0.01-5.0 מ"ג/ליטר, עם מגבלת זיהוי (LOD) של 0.017 מ"ג/ליטר. תעלת ה-Cr, המשתמשת בכימיה של דיפניל קרבזיד, מכסה תחום דינמי של 10-500 מיקרוגרם/ליטר ומשיגה LOD של 10.78 מיקרוגרם/ליטר. חישת פלואוריד באמצעות שיטת הסרת הצבע המרוכבת Fe-SCN מאפשרת זיהוי אמין מ-0.5-47.5 מ"ג/ליטר, עם LOD של 0.46 מ"ג/ליטר. בהתבסס על התגובה הכחולה של מוליבדן, זיהוי ארסן יעיל בטווח של 5-100 מיקרוגרם/ליטר עם LOD של 8 מיקרוגרם/ליטר. כל התגובות מתבצעות בטמפרטורת החדר (25 ± 2 מעלות צלזיוס), והבדיקה כולה מסתיימת תוך פחות מ-5 דקות ללא צורך במכשור מתוחכם או כוח אדם מיומן. תכונות אלה מאשרות את ישימות השיטה ועמידה בתקני איכות המים של ארגון הבריאות העולמי. לפני ביצוע התגובה במעבדה, אומצה תאוריית פונקציית הצפיפות התלויה בזמן (TD-DFT) כדי לקבוע את התגובות הכימיות הספציפיות (מנעול ומפתח) עבור כל אנליט. ניתוח TD-DFT זה חוזה גם אתה-λ המקסימלי הסביר בהתאמה של המגיב ואת התוצר העיקרי של התגובה, שהוא עמוד השדרה הבסיסי של החיישן ומבטיח את היעילות הסבירה של החיישן. אב טיפוס פותח עבור ערכת POCT התומכת ב-E-Eyes, ואב הטיפוס תורגם למכשיר. זרימת העבודה כולה הוצגה באיור 1. המכשיר נבדק מול יותר מ-2000 דגימות, וביצועיו הושוו לתוצאות שהתקבלו באמצעות UV-Vis, ICP-MS ו-AAS. בכל המקרים, ביצועי המכשיר משביעי רצון ביותר עם סטיות מינימליות ומקסימליות של 1.25% ו- 6.25%, בהתאמה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. חישוב ותיקוף של מנגנון החישה של התגובה

  1. בחר את תגובת המנעול והמפתח על סמך העיקרון הכימי הבסיסי של האנליט הממוקד.
  2. השתמש בתוכנית Gaussian 09 כדי לבצע את כל החישובים באמצעות השיטה ההיברידית Becke, 3 פרמטרים, Lee-Yang-Parr (B3LYP), ו-Los Alamos National Laboratory 2 Double ζ (LanL2DZ) בסיס14 כדי להשיג תוצאות מדויקות יותר בחישוב אלקטרוני הכולל את האנליט הממוקד. כאן, הפרוטוקול נדון עבור ברזל (Fe) בלבד, שחל על כל האנליטים האחרים.
  3. הציגו את גישת שדה התגובה העקבי (SCRF) עם מודל הרצף המקוטב (PCM) כדי להסביר את אפקט הממס. ההנחה היא שמים הם ממס בפרוטוקול זה.
  4. בצע אופטימיזציה של הגיאומטריה המולקולרית באמצעות פונקציית הקישוריות geom=. זה עוזר לשמור על מידע מליטה מפורש בתהליך האופטימיזציה.
  5. חשב את אנרגיית מצב הקרקע הנדרשת לחישוב המבנה האופטימלי של המולקולה, באמצעות השלבים המוזכרים ב-1.2 ו-1.3.
  6. השג את המעבר האלקטרוני של המצב הנרגש בשיטת שדה עקבי עצמי תלוי בזמן (TD-SCF) (ns=60)14. השתמש באותה שיטה כדי להשיג את ספקטרום ספיגת ה-UV.
  7. בצע אופטימיזציה של הגיאומטריה של המולקולה על ידי חישובי DFT במצב קרקע באמצעות ערכת הבסיס הפונקציונלית B3LYP ו-LanL2DZ.
  8. קבל את המבנה האופטימלי של 1,10-פננתרולין ו-Fe2+ כפי שמוצג באיור 2A,B.
  9. באופן דומה, דמו את מבנה המולקולה של hexafluoroferrate (FeF6), בעל מבנה אוקטהדרלי עם Fe3+ כאטום המרכזי המוקף ב-6 אטומי F- כפי שמוצג באיור 2C.
    הערה: התגובה, כלומר היווצרות פרואין, היא ספציפית ל-Fe2+. לכן, בתחילה, יש להפחית את Fe3+ ל-Fe2+ בהתאם לתגובה שלהלן.
    figure-protocol-1
    Fe2+ מגיב במהירות עם 1,10-פננתרולין ויוצר פרואין, קומפלקס בצבע כתום הנראה לעין בלתי (ראה את התגובה למטה). התגובה הזו היא הלב של החיישן, כפי שמוצג באיור 2.

2. פיתוח חיישן כימי קולורימטרי

  1. רכשו את הכימיקלים בדרגה אנליטית הנדרשים לתגובה הנ"ל.
  2. העבירו כמויות שוות של טריסודיום ציטראט דיהידרט, חומצה אסקורבית ו-1,10-פננתרולין לתוך צינור תרבית זכוכית שקוף.
    1. בניסוי, 1 מ"ל מכל מגיב נלקח לצינור תרבית זכוכית שקוף של 5 מ"ל. לאחר הוספת 1 מ"ל מכל מגיב (1 מ"ל חומצה אסקורבית, 1 מ"ל טריסודיום ציטראט ו-1 מ"ל פננתרולין), הוסף 2 מ"ל מלאי. אם נוספו 5 מ"ג/ליטר של ציר, הריכוז הסופי הוא 2 מ"ג/ליטר (C1V1 = C2V2), והנפח הסופי הוא 5 מ"ל.
  3. בצע אופטימיזציה של יחס הריאגנטים כדי להשיג את ה-pH של מדיום התגובה באמצעות חומצה אסקורבית, המשמשת גם כחומר מיסוך. בצע אופטימיזציה של הריאגנטים להשגת pH של 2 בספיגה מקסימלית באורך גל של 510 ננומטר.
  4. השתמש בחומר מיסוך כדי למנוע הפרעות מנחושת, שכן 1,10-פננתרולין יוצר גם קומפלקס בצבע צהוב עם נחושת בסביבה אלקליין.
    הערה: נחושת עלולה להפריע לתגובה מכיוון ש-1,10-פננתרולין יוצר גם קומפלקס בצבע צהוב עם נחושת בסביבה אלקליין. לכן, שמירה על ה-pH של המדיום היא קריטית מאוד. חומצה אסקורבית משרתת את המטרה. עם זאת, ה-pH עשוי להשתנות עם הזמן, וחנקן של 1,10-פננתרולין עשוי לקבל פרוטונציה ב-pH נמוך זה. כדי להתגבר על קשיים אלה, נעשה שימוש במאגר טריסודיום ציטראט, המסייע בשמירה על ה-pH ובמניעת פרוטונציה של 1,10-פננתרולין.
  5. הכן את התמיסות של Fe2+ בריכוזים שונים הנעים בין 0.05 מ"ג/ליטר ל-4.0 מ"ג/ליטר מ-FeSO4.7H 2O.
  6. הוסף 1 מ"ל של תמיסה זו לתערובת התגובה המתוארת באיור 3A, הנותנת פרואין בצבע כתום כאינדיקטור ל-Fe2+ (איור 3B).
    הערה: כאן, הוספת תמיסת המלאי לתערובת המגיב היא נקודת הביקורת החזותית, המייצרת את הצבע הכתום. יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לחומרים מפחיתים, מכיוון ש-1,10-פננתרולין הוא סלקטיבי ל-Fe2+ ואינו יוצר קומפלקס עם Fe3+.
  7. אסוף את הדגימות הגולמיות וסנן באמצעות נייר ווטמן בגודל נקבוביות, נייר סינון 20-25 מיקרומטר. בצע את הדילול שלאחר הסינון במידת הצורך14.
    1. אסוף דגימות מים ישירות ממקורות הסביבה (למשל, נהר ברהמפוטרה) בבקבוקי פוליאתילן בצפיפות גבוהה שנוקו מראש ושטופים בחומצה. מכסים מיד את הבקבוקים ומסננים (תוך שעתיים) באמצעות נייר סינון Whatman בגודל נקבוביות 20-25 מיקרומטר. בצע טיפול מקדים להסרת המשקעים והצבע מהדגימות מלבד מי DI דוקרניים (בעיקר דגימות סביבתיות; ראה קובץ משלים 1).
  8. מדוד את כמות הברזל בדגימות באמצעות ספקטרוסקופיה UV-Vis בטווח אורכי גל של 250-750 ננומטר, הנחשבת לטכניקת תקן הזהב במדידה הנוכחית.
    1. מניחים דגימות בקובטות קוורץ באורך נתיב של 1 ס"מ. קח את מדידות הספיגה באורכי גל ספציפיים המתאימים לשיא הספיגה של כל אנליט במשולש. בצע תיקון בסיסי באמצעות ריק המכיל את אותם מים. בצע את כל המדידות בטמפרטורת החדר בתנאי מעבדה סטנדרטיים (מהירות סריקה: בינונית, סוג מדידה: ספיגה, רוחב חריץ: 5.0 ליטר, גלאים: ישיר) כדי להבטיח עקביות ואמינות התוצאות.
      הערה: קובטות קורץ המשמשות לספקטרוסקופיה UV-vis חייבות להיות זהות וברורות מבחינה אופטית כדי להבטיח מדידות ספיגה מדויקות. כל כתם, שאריות או שריטות גלויים עלולים להציג שגיאות משמעותיות ולהצדיק החלפה מיידית.
  9. ספייק את הדגימות עם Fe2+ בריכוזים שונים הנעים בין 0.05 ל-4 מ"ג/ליטר, אם Fe2+ לא נמצא בשלב 2.8. הפחיתו את Fe3+ באמצעות חומצה אסקורבית לפני שלב 2.8 כדי להעריך את סך הברזל בדגימות.
    הערה: כל התגובות מתרחשות בטמפרטורת החדר. קומפלקס הפרואין נוצר מיד לאחר הוספת Fe2+. לכן, החיישן עובד מצוין בטמפרטורת החדר, וזמן התגובה שלו קצר מאוד, תוך מספר שניות.

3. תכנון וייצור אב הטיפוס של ערכת E-Eye-Enable POCT

  1. רכשו LDR, נורת LED לבנה, LCD, מיקרו-בקר מיקרו-מעבד ונגדים.
  2. סדרו נורית LED ו-LDR זה מול זה על פני קופסה מודפסת בתלת מימד. הקופסה מכילה קובטה שבה נוצר פרואין באמצעות תגובת המנעול והמפתח, כפי שמצוין באיור 4A.
    הערה: הנורית המשמשת כאן פולטת אור לבן; קוטרו כ -5 מ"מ, והמתח ההפוך שלו הוא 5 וולט. ל-LDR המשמש באב-טיפוס יש יכולת חישה של 5 Ω עד 10 kΩ. יתר על כן, LDR זה חש ביעילות את אורך הגל שנע בין 400 ל-700 ננומטר הנפלט מה-LED המשמש כאן.
  3. השלם את המעגל עם רכיבי החומרה האלקטרוניים הדרושים: נגדים (3.3 kΩ), חוטי חיבור ויחידת LCD (מק"ט: 11497).
  4. ממשק את כל הרכיבים לעיל עם מיקרו-מעבד על פני מעגל מחלק מתח המתואר באיור 4B. בצע תכנות באמצעות Arduino IDE v1.8.19. קרא את האות האנלוגי מבוסס LED-LDR של כל ערוץ באמצעות פינים אנלוגיים (A0-A3).
    הערה: המעבד משמש כיחידת העיבוד המרכזית של המעגל. מערכת איסוף הנתונים האופטו-אלקטרונית נבנתה באמצעות מיקרו-בקר Arduino Uno (Rev3).
  5. מאכלסים את המסננים האלקטרוניים המתקדמים והמתוחכמים (התנגדות 10 kΩ, קיבול 1 μF) כדי לשפר את יעילות החיישן על ידי דיכוי הרעש והגברת המרץ האינסטרומנטלי של המכשיר.
  6. הדפס את המעגל המודפס (PCB) אם העיצוב הושלם.
  7. ספק את הכוח למעגל על ידי הפעלת המתג האלקטרוני והקלטת תגובת החיישן מבחינת התנגדות.
    1. לאחר הפעלת המתג, הנורית פולטת אור העובר דרך תא התגובה. ה-LDR חש את עוצמת האור המועבר ונותן התנגדות. מתאם עמידות זו עם ריכוז Fe2+ הקיים בדגימה. מתאם זה של הדגימות הידועות מספק כיול לעלילה. שלב את המשוואה המתקבלת מעלילת כיול זו בתוך האלגוריתם הנגזר.
  8. כל דיאגרמת המעגל מתוארת באיור 4C. הדפס את המכשיר לאחר השלמת כל השלבים שהוזכרו לעיל בסעיף זה. התמונה בפועל של המכשיר המיוצר מוצגת באיור 4D.
    הערה: הדפסת המעגל משפרת את האמינות ומבטיחה אינטגרציה חזקה של רכיבי החומרה האלקטרונית.

4. פיתוח מכשיר מרובה

הערה: נדרשים ערוצים מרובים כדי לזהות אנליטים מרובים בצילום אחד. לשם כך מותקנים ארבעה ערוצים ומשולבים באב הטיפוס.

  1. צור ארבעה חריצים בקופסה התלת-ממדית כדי להחזיק את ארבע הקובטות במיקומן המתאים. בודד כל חריץ גילוי אופטית ואלקטרונית כדי למזער הפרעות, פיזית על ידי מחסומים אטומים בין ערוצים, ואלקטרונית על ידי שימוש בזוגות LED-LDR נפרדים ומחלקי מתח בודדים כדי למנוע חפיפת אותות.
    1. הקצה משבצת אחת לאנליט מסוים; אל תחליף את החריצים. החריץ המוקצה לאנליט מסוים חייב להכיל את הקובט שיש בו רק ריאגנטים ספציפיים לאותו אנליט.
  2. חזור על הפרוטוקולים המוזכרים בשלבים 3.3 עד 3.7. כל ארבעת זוגות ה-LED-LDR מחוברים במקביל ללוח המעגלים. דיאגרמת מעגל מייצגת אחת ותמונה של אב הטיפוס עבור שישה חריצים כאלה (6 חריצים) מוצגים באיור 5.
  3. הפעל את המתג כדי לספק חשמל למעגל. כל נוריות הלד נדלקות; כתוצאה מכך, ה-LDRs חשים את כל ארבעת האנליטים בו זמנית.
    הערה: זה עובד על אותו עיקרון שנדון בהערה תחת שלב 3.7. חיוני לציין את ההתנגדות הריקה; כל שינוי הכפוף לגורמים חיצוניים מצדיק כיול מחדש. המכשיר יוצר עבור ספקטרוסקופיה UV-vis. עם זאת, המקור האופטי (LED) המשמש בעבודה זו מקיף אורך גל של 400-750 ננומטר. לכן, כל ספיגת UV מורכבת או כמעט אינפרא אדום עשויה שלא לתת תוצאות מדויקות. המכשיר יכול לפעול בטווח הליניארי שלו בלבד. לפיכך, כל אנליט מזוהם בטווח העודף או מתחת לטווח זה אינו יכול לספק פלט אמין.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

כתב יד זה דן בפרוטוקול לתכנון ופיתוח ערכת POCT מרובה אופטית, המזהה Fe, Cr, As ו-F בדגימות שונות. איור 1 מציג את האלגוריתמים של כל ההליך. החיישן הכימי הקולורימטרי פותח על סמך תוצאות סימולציית TD-DFT. חיישן כימי זה משולב עם חיישן אופטי שפותח באופן מקומי. המכשיר הסופי הוא חיישן POCT דיגיטלי התומך ב-E-Eye. אופטימיזציה מספרית של החיישן הכימי הקולורימטרי מוצגת באיור 2. ביצועי החיישן תלויים בהיווצרות פרואין. יש לעקוב אחר רצף מסוים כדי ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

האימות של ערכת POCT התומכת ב-E-Eye מול תקן הזהב (UV-vis) מוצג באיור 5. למטרה זו הוכנו דגימות דוקרניות של Fe2+ . ריכוזו נמדד בשלוש פעמים עם ערכת E-Eye POCT שפותחה וספקטרופוטומטר UV-vis, והערך הממוצע דווח. שתי הקריאות הושוו, ונצפה כי המכשיר תואם את תקן הזהב. התוצאות מוכיחות כי ערכת E-Eye-Enable POCT שפותחה באופן מקומי מודדת בהצלחה את סך הברזל בדגימות מים.

איור 7 מציג את תוצאות האימות של המכשי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

אנו מודים ל-MeitY SWASTHA (מענק 5 (1)/2022-NANO), למרכז ICMR למצוינות (מענק 5/3/8/20/2019-ITR) ולממשלת הודו על הסיוע הכספי.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
1,10-פננתרולין מונוהידראט (C12H8N2. H2O)5144-89-8סיגמא אלדריץ', הודו
1,5-דיפנילקרבאזיד (C13H14N4O)140-22-7סיגמא אלדריץ', הודו
אצטון (C3H6O)67-64-1סיגמא אלדריץ', הודו
טטרהידרט אמוניום מוליבדאט ((NH?)? מו? O?? · 4H? O)12054-85-2סיגמא אלדריץ', הודו
מועצת הפיתוח של ארדואינו UNOSKU  A000066Robu.in
חומצה אסקורבית (C6H8O6)50-81-7 הימדיה, הודו
לוח לחםSKU: 24441Robu.in
כלוריד ברזל (FeCL3)7705-08-0 הימדיה, הודו
סולפט ברזל הפטהידרט (FeSO4.7H2O)7782-63-0 הימדיה, הודו
חומצה כלורית (HCl)7647-01-0 פינאר, הודו
מי חמצן (H2O2)7722-84-1 פינאר, הודו
חוטי קופץSKU: 44281Robu.in
דיודה פולטת אור (LED)SKU: R110553Robu.in
נגד תלוי אור (LDR)SKU: 1496181Robu.in
תצוגת גביש נוזלי (LCD)SKU: 11497Robu.in
מי מילי-קיו (18.2  MΩ) 
מולטימטרSKU: 1720374Robu.in
חומצה חנקתית (HNO3)7697-37-2 פינאר, הודו
מלח בופר פוספט (PBS)SKU:  M1866הימדיה, הודו
דיכרומט אשלגן (K2Cr2O7)7778-50-9 הימדיה, הודו
פוטנציומטרSKU: 790452Robu.in
נגדיםSKU: R225238Robu.in
נתרן ארסנאט הפטהידרט (Na2HAsO4· 7H2O)10048-95-0 הימדיה, הודו
נתרן דיהידרוגן פוספט (NaH2PO4) 13472-35-0 הימדיה, הודו
פלואוריד נתרן (NaF)7681-49-4הימדיה, הודו
נתרן תיוציאנאט (NaSCN)540-72-7 הימדיה, הודו
חומצה גופרתית (H2SO4)7664-93-9 פינאר, הודו
טרי סודיום ציטראט דיהידרט (Na3C6H5O7.2H2O)03-04-6132הימדיה, הודו

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

TD DFTE EyeMultiplexed DetectionUV VisibleLDR

מאמרים קשורים