טכניקת חישת עין אלקטרונית מתקדמת מונחית TD-DFT לכימות באתר של Fe, Cr, F ו-AS בדגימות סביבתיות, ביולוגיות ומזון
19 בספטמבר 2025
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.
היקף המחקר הוא לפתח מכשיר נייד לנקודת טיפול. הוא נקרא e-Eye, שיוכל למדוד את ריכוז החומר הרעל במדגם רב-מדדי. האתגרים הניסיוניים הקשורים למכשיר ה-POCT הנוכחי הם הסלקטיביות, הסלקטיביות בדגימת רב-מטריצות.
אתגר נוסף הוא זיהוי הריכוז הנמוך מאוד. ברגע זה, הוא לא יכול לזהות ריכוז נמוך מאוד. והנקודה האחרונה היא שזיהוי אנליט מסוים, מטרה מסוימת בדגימת רב-מטריצות.
תראה, חיישן e-Eye שפותח מקומית מחקה בעצם את ספקטרופוטומטר הנייד EV הספקטרופוטומטר הנראה. כאן e-Eye מייצג חיישן אופטי. מכשיר זה פותח על פי שני עקרונות העבודה.
קודם כל, עקרון הפעולה של חיישני כימיה קרדיומטריים. השני הוא עקרון העבודה של חיישן אופטי עם דיוק גבוה. ניסינו להבין את יסודות העבודה הזו, עקרון עבודה, מושג תורת פונקציית הצפיפות התלויה בזמן, יישמנו על חיישני הקומדיה האופטיים.
ההמצאות שלנו עוסקות בשאלות יסודיות בסיסיות מתחום החישוב ועד פיתוח מכשירי חיישנים. איך נוכל להתפתח, על זה ענינו. ובהתבסס על העבודה הזו, בעצם, הקונספט שלנו, אנחנו יכולים להבין את המנגנון של המערכת.
אנחנו יכולים לחזות את הסלקטיביות. אנחנו יכולים לחזות את טווח הגילוי, כל הדברים האלה. המטרה העתידית שלנו היא לפתח חיישנים מדויקים ומבוססים יותר, שיוכלו לטפל בבעיות איכות ניטור המים.
וזה יכול להיות רלוונטי גם בתחום החקלאות, תחום הסביבה, וגם בתחום הבריאות. והוא יוכל לזהות תרכובת יסודות אפילו בחלק מהאורגניזמים הביולוגיים מהדגימה. כדי להתחיל, בחר תגובת מנעול ומפתח שמזהה במיוחד את האנליט הממוקד בהתבסס על הכימיה הבסיסית שלו.
השיק את תוכנית Gaussian 09 לביצוע כל החישובים באמצעות שיטת Becke, 3-פרמטר, Lee-Yang-Parr, B3LYP ההיברידית, ומערכת בסיס 2 Double Z של מעבדת לוס אלמוס, כדי להשיג תוצאות מדויקות יותר בחישוב אלקטרוני הכולל את האנליט היעד. בקלט הגאוסי הוסף SCRF=PCM ובחר מים, מאשר את ההגדרה ומראה שהקלט המכיל גאומטריה שווה לקישוריות ורשימת אטומים מקושרים בבלוק הקישוריות. לחץ על שלח.
חשב את אנרגיית מצב היסוד הנדרשת לחישוב המבנה האופטימלי של המולקולה. השגת מעברים אלקטרוניים במצב מעורר באמצעות שיטת שדה עצמית תלויה בזמן, המבקשת מספר מצבים השווה ל-60. באותה שיטה ומודל ממס, מחשבים ומייצאים את ספקטרום הספיגה האולטרה-סגול החזויה.
בצע אופטימיזציה של גיאומטריה בתיאוריה הפונקציונלית בצפיפות מצב קרקע באמצעות פונקציונל B3LYP עם בסיס LANL2DZ לשיפור המבנה המולקולרי. ייצוא את המבנים האופטימליים של 110 פננפרלין ויון הברזל למחקרים הבאים. העבירו נפחים שווים של טריסודיום ציטראט דיהידראט כסוכן מסיכה, חומצה אסקורבית כסוכן אופטימציה ל-pH, ו-110 פאאנפרולין לצינור תרבית זכוכית שקוף.
הוסיפו שני מיליליטרים של תמיסת מקור כדי להגיע לנפח כולל של חמישה מיליליטר. הניחו כל דגימה ותקן בקובטה קוורץ באורך מסלול של סנטימטר אחד ושמרו על כל המדידות בטמפרטורת החדר בתנאי מעבדה סטנדרטיים. מדדו ברזל בכל התקנים והדגימות באמצעות ספקטרוסקופיית UV נראית על ידי סריקה מ-250 עד 750 ננומטר.
הגדר את הגדרות המכשיר כך שיתאימו לתנאים שנקבעו על ידי בחירת מהירות הסריקה כמדיום. הגדר את סוג המדידה לספיגה. כוון את רוחב הסדק לחמישה ננומטרים והגדר את הגלאים לכיוון ישיר.
בצע תיקון קו בסיס באמצעות ריק שמכיל את אותו מטריצת מים כמו הדגימות. לאחר רישום ספיגת ה-UV, נצפית Lambda max ב-510 ננומטר, מה שמאשר את היווצרות הקומפלקס. כדי להתחיל לרכוש LDR, LED לבן ו-LCD, לוח מיקרו-בקר או מיקרו-מעבד, ונגדים מדויקים.
באמצעות הקופסה המודפסת התלת-ממדית, יישר את ה-LED ואת הנגד התלוי באור זה מול זה לאורך חריץ הקובט. השלים את המעגל על ידי התקנת נגד סדרה של 3.3 קילו-אוהם ל-LED, ניתוב חיווט נקי וחיבור דגם LCD מספר 11497. חבר את החיישן למיקרו-בקר דרך מחלק מתח שממיר שינויים בהתנגדות התלויה באור למתח מדיד.
התקן מסנני דיכוי רעש אנלוגיים על ידי הוספת נגד בעל רצף 10 קילו-אוהם או נגד הטיה וקבל מיקרופארד אחד ליצירת רשת מעבר נמוך בכל כניסה אנלוגית. הניחו רכיבים קרוב לפיני המיקרו-בקר ונתבו חוטי אות קצרים ומסובבים כדי לשפר את היציבות. הדפס את לוח המעגל המודפס כאשר הסכמטיקה והפריסה של האב-טיפוס מוכנים ומאומתים חשמלית.
אספקת חשמל על ידי הפעלת המתג האלקטרוני והקלטה של תגובת החיישן כהתנגדות או מתח מומר מכל ערוץ. התבונן במסלול האור כאשר ה-LED מעביר אור דרך תא התגובה, והנגד התלוי באור מזהה עוצמה מועברת התואמת למידע פארו. מקשרים את ההתנגדות הנמדדת לריכוז יוני ברזל ליצירת גרף כיול והזנת המשוואה המתקבלת לאלגוריתם המכשיר לדיווח בזמן אמת.
בדוק את שרטוט המעגל המלא כדי לאשר את החיווט הסופי והקצאת הערוציות. לאחר מכן הדפיסו והרכבו את מארז המכשיר המוגמר. צרו ארבעה חריצים ייעודיים בקופסה התלת-ממדית כדי להחזיק ארבעה קובטות במיקומים קבועים.
בודד כל חריץ זיהוי הן אופטית עם מחסומים פיזיקליים אטומים והן אלקטרונית עם זוגות נגד נפרדים תלויי LED ואור ומחלקי מתח בודדים כדי למנוע חפיפת אות. הקצה חריץ אחד לאנליט יחיד ושמור על ההקצאה קבועה. ודא שהקובטה שמונחת בכל חריץ מכילה רק את המגיב הספציפי לאותו אנליט.
הדליק את המתג הראשי כדי לספק חשמל כך שכל ארבעת הנורות נדלקות בו זמנית. אפשר לנגדים התלויים באור לחוש כל אנליט במקביל ולהציג את התוצאות עבור כל הערוצים בבת אחת. הפרוטוטיפ המולטי-פלקסי כמת במדויק את ריכוזי הברזל הכוללים בדגימות בוטנים, עם תוצאות שתואמות באופן הדוק לספקטרופוטומטר ה-UV vis ונשארו מעל גבול הגילוי בכל המקרים.
רמות הכרום והפלואוריד שנמדדו בדגימות שיער באמצעות אב-הטיפוס המולטי-פלקסי היו דומות למדידות גלויות UV. רמות הארסן בדגימות מים בברהמפוטרה עלו בהדרגה בין מספר הדגימות וזוהו באופן אמין הן על ידי אב-הטיפוס המולטיפלקס והן על ידי מערכת ה-UV vis.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מתמקד בפיתוח של מכשיר נייד לבדיקה במקום (point-of-care), המכונה e-Eye, שנועד למדוד ריכוזים של רעלים במטריצות של דגימות שונות. המחקר עוסק באתגרים הקשורים לסלקטיביות ולספי גילוי בדגימות בעלות מטריצות מרובות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- ניטור סביבתי
- ניתוח דגימות ביולוגיות
- בדיקות בטיחות מזון
רקע
- פיתוח של מכשיר נייד לזיהוי רעלים.
- אתגרים בסלקטיביות וברגישות עבור ריכוזים נמוכים.
- צורך בזיהוי מדויק במטריצות של דגימות מורכבות.
- בדיקה של כמעט 2000 דגימות אל מול טכניקות שהן gold-standard.
מטרת המחקר
- ליצור מכשיר POCT יעיל עבור דגימות סביבתיות וביולוגיות.
- לשפר את הסלקטיביות והרגישות בזיהוי רעלים.
- לתקף את המכשיר אל מול שיטות מבוססות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- תכנון ופיתוח של מכשיר ה-e-Eye.
- בדיקה על סוגי דגימות מגוונים.
- השוואה לטכניקות זיהוי שהן תקן הזהב (gold-standard).
- ניתוח אתגרי סלקטיביות ורגישות.
תוצאות עיקריות
- גילוי מוצלח של Fe, Cr, As, ו-F בדגימות שונות.
- התוצאות תואמות לשיטות ה-gold-standard.
- זיהוי אתגרים בגילוי ריכוזים נמוכים.
- הדגמת פוטנציאל ליישומים מעשיים בניטור סביבתי ובריאותי.
מסקנות
- מכשיר ה-e-Eye מראה פוטנציאל לזיהוי נייד של רעלים.
- נדרשים שיפורים נוספים לצורך זיהוי ריכוזים נמוכים.
- יישומים פוטנציאליים בתחומים מגוונים, כולל מדעי הסביבה ובטיחות מזון.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
באמצעות שילוב של ניתוח חישובי TD-DFT עם חישוש אופטי רב-ערוצי (multiplexed), זרימת עבודה זו מקדמת זיהוי מוקדם וכימות של Fe, Cr, F, ו-As במטריצות סביבתיות, ביולוגיות ומזון. הגישה פותרת צווארי בקבוק של סלקטיביות ורגישות בשלב הגילוי של סריקת רעלים, ותומכת בביטחון חיזוי ובצמצום סיכונים מכניסטיים עבור מו"פ בביו-פארמה. התאמתה לשיטות המהוות "תקן זהב" ממיגרה אותה כפלטפורמה רב-פעמית לתיקוף יעדים חסון ולמיון תיקי פיתוח.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מידול TD-DFT מאפשר בחינה מכניסטית של אינטראקציות בין האנאליט לחיישן לצורך ספציפיות למטרה.
- תכנון חיישן אופטי תומך בתיקוף פונקציונלי של נתיבי זיהוי וספי סלקטיביות.
- כימות מרובה (Multiplexed) מספק מידע על ביטחון חיזוי ומפחית סיכונים בהשערות רעילות מוקדמות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- חיישני E-Eye שעברו תיקוף מספקים קריאות סטנדרטיות וניתנות לשחזור עבור תהליכי סריקה של מולטי-אנליטים.
- חריצי זיהוי מקביליים מאפשרים פיתוח בדיקות הניתן להרחבה והערכה מהירה של תרכובות.
- פלטים כמותיים מאפשרים השוואה ישירה מול נקודות ייחוס מבוססות של UV-Vis ו-AAS.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- התאמה למספר מטריצות תומכת ברציפות תרגומית מניתוח דגימות סביבתי לניתוח דגימות ביולוגיות.
- התאמה לשיטות המהוות "סטנדרט זהב" מבטיחה קבלת החלטות מותאמת סיכונים בשלבי קידום במסלולים פרה-קליניים.
- זיהוי מולטיפלקס מסייע בפיתוח פאנלים של סמנים ביולוגיים למחקרי חשיפה ורעילות.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
שיטה זו מגשרת בין ניתוח מחשוב של מטרות לבין כימות מרובה בזמן אמת, החל משלב הגילוי המוקדם ועד להערכת רעילות פרה-קלינית.
- ביולוגיה של גילוי: ניתוח TD-DFT מבהיר את מנגנוני הגילוי ומספק מידע על הסלקטיביות של החיישן.
- סריקה: חיישני E-Eye מרובי-ערוצים מספקים פלטים כמותיים הניתנים לשחזור עבור תהליכי עבודה בעוצמה גבוהה (high-throughput).
- אנליטיקה: קריאות המכשיר ועקומות כיול מאפשרות השוואה סטטיסטית חזקה בין תנאים שונים.
- מחקר תרגומי: ביצועים עקביים במטריצות שונות תומכים בהתאמת סממנים ביולוגיים וברציפות פרה-קלינית.
- שימוש חוזר ארגוני: המודולריות של הפלטפורמה מאפשרת התאמה למטרות חדשות ולסוגי דגימות שונים.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: משפר את הביטחון החיזוי ומפחית עמימות מכניסטית בזיהוי רעלים.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של כימות מרובה (multiplexed) עם הדירות גבוהה ויכולת הרחבה.
- ערך אסטרטגי: מספק בסיס לקבלת החלטות של המשך או הפסקת תהליך (go/no-go) ומשפר את יעילות ההון על ידי הפחתת סיכונים בשלבים מוקדמים של סריקה.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם סיכון ובקידום של בדיקות מועמדות וביומרקרים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בכימיה חישובית (TD-DFT) ובאינטגרציה של חומרת חיישנים.
- נדרשת גישה לתוכנת Gaussian, למכשור UV-Vis/AAS ולפלטפורמות מבוססות בקרים זעירים (microcontrollers).
- סטנדרטיזציה בין צוותים חיונית לצורך כיול והדירות בין סוגי דגימות שונים.
- התאמה לאנליטים נוספים עשויה לדרוש תיקוף חישובי וחומרתי חדש.
- הביצועים בריכוזים נמוכים מאוד עשויים להיות מוגבלים על ידי רגישות החיישן הנוכחית.
