TD-DFT Tecnica avanzata di rilevamento E-Eye guidata per la quantificazione in loco di Fe, Cr, F e As nei campioni ambientali, biologici e alimentari

Sommario

Questo lavoro ha discusso il protocollo per la progettazione e lo sviluppo di un dispositivo POCT E-Eye-Enable per rilevare Fe, Cr, As e F in campioni ambientali, campioni biologici e alimenti e bevande. Sono stati testati quasi 2000 campioni e i risultati concordano con la tecnica gold standard.

Abstract

Questo documento illustra passo dopo passo il protocollo di progettazione e sviluppo di un kit di test point-of-care (POCT) multiplexato abilitato per E-Eye. Utilizziamo la teoria della funzione di densità dipendente dal tempo (TD-DFT) per esplorare il principio di funzionamento di base dei sensori prima di entrare nei dettagli dell'hardware del dispositivo. L'analisi TD-DFT fornisce il λ_max dell'elemento mirato, che aiuta a trovare il percorso più accurato per rilevare l'inquinante negli analiti. L'analisi TD-DFT viene eseguita nei software Gaussian 09 e Gauss View 5.0. Un sensore ottico chiamato occhio elettronico (E-Eye) è stato sviluppato sulla base del valore λ_max e del principio Light Emitting Diode/Light Dependent Resistor (LED/LDR). Il dispositivo E-Eye è stato fabbricato con un LED, un LDR posizionati uno di fronte all'altro e altro hardware, tra cui un display a cristalli liquidi (LCD) interfacciato con un microprocessore attraverso un partitore di tensione, che funge da microprocessore centrale. Inizialmente, tutti i campioni (ambientali, biologici, alimentari e bevande) sono stati pre-processati per estrarre tutti gli elementi mirati nella fase acquosa. La reazione specifica (serratura e chiave) è stata eseguita nel reattore specificato e sono state registrate le letture osservate nell'unità di visualizzazione. È stato inoltre fabbricato un dispositivo multiplexato in modo indigeno per rilevare simultaneamente Fe, Cr, As e F. L'efficacia dei sensori è stata testata su oltre 2000 campioni e confrontata con i metodi gold standard. Una buona precisione è stata confermata con l'accuratezza del 95,3%, 94,7% e 95,4% rispetto ai campioni di ambiente, biologico e alimenti e bevande. È importante notare che le prestazioni del sensore di arsenico sono state confrontate con i risultati della spettrometria di assorbimento atomico (AAS) e tutti gli altri risultati, ad esempio i sensori per ferro, cromo e fluoruro, sono stati confrontati con i risultati ottenuti dall'analisi UV-Vis.

Introduzione

I metalli pesanti svolgono un ruolo significativo nel mantenimento dell'ecosistema terrestre, che è essenziale per gli esseri umani¹. Al contrario, la crescita industriale e l'uso delle risorse naturali nell'era recente hanno portato i metalli pesanti a diventare un contaminante per la catena alimentare e altri prodotti essenziali degli esseri viventi, il che è un serio allarme per la civiltà moderna. È dovuto al loro bioaccumulo in corpi viventi e non viventi e alla natura della non degradabilità². A questo proposito, il governo degli Stati Uniti ha continuamente valutato il grado alimentare, compresi gli alimenti per l'infanzia, per molto tempo per monitorare la qualità del cibo. Complessivamente, hanno analizzato più di 22 elementi e più di 3200 campioni in tutto il loro paese³.

In molti casi, i livelli di metalli pesanti hanno superato il limite di soglia raccomandato dall'OMS e dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti e dal Total Diet Study Report (TDS), luglio 2022. Una conclusione analoga può essere tratta per i corpi idrici e i suoli europei ^4,5. Oltre al suolo e all'acqua, la forte presenza di metalli pesanti mette in pericolo la vita ^6,7. È importante notare che l'India è un paese fluviale e una recente indagine mostra che oltre il 43% dei fiumi ha un livello allarmante di molti metalli pesanti e altri inquinanti ^8,9. In questo programma⁸, è stato accettato che i livelli di piombo nel sangue in più di 27,5 crore di bambini sono superiori a 5 μg / dL, il che è considerato non sicuro.

Le discussioni di cui sopra descrivono la necessità di un monitoraggio continuo dei metalli pesanti e di altre sostanze chimiche pericolose per il benessere della società globale. Esistono varie tecniche per il rilevamento e la misurazione della concentrazione di metalli pesanti, come la spettroscopia UV-Vis, l'AAS, la spettroscopia di emissione atomica al plasma accoppiato induttivamente (ICP-AES) e la spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS), ecc. (Food and Drug Administration statunitense, Total Diet Study Report (TDS), luglio 2022)³. La necessità di attrezzature di fascia alta e di una forza lavoro qualificata limita questi metodi per il rilevamento rapido e in loco dei metalli pesanti. La situazione discussa nel paragrafo precedente richiede un kit di rilevamento in loco facile da usare, rapido e accurato per i metalli pesanti, che possa aiutare a monitorare la qualità del suolo, dell'aria e dell'acqua.

Ci sono stati molti tentativi di sviluppare i suddetti kit di rilevamento in loco^10,11 per i metalli pesanti. Alcuni di essi,^{12, 13, 14, 15} hanno avuto successo e altri¹³ non sono riusciti a soddisfare i requisiti delle raccomandazioni dell'OMS. Alcuni di essi sono sensori digitali, che visualizzano i valori digitali delle concentrazioni degli analiti 16,17,18. Il resto sono sensori qualitativi come i sensori microfluidici a base di carta utilizzati per il test di gravidanza, che possono segnalare la presenza e l'assenza degli inquinanti mirati nel campione¹⁹. Esistono diversi kit di diverse marche, marche e modelli disponibili in commercio sul mercato, che potrebbero essere utilizzati di routine per testare la presenza di metalli pesanti nell'acqua e in altri campioni. Questi kit sono generalmente classificati in base a indicatori chiave di prestazione come il campo di rilevamento, il costo per campione, la sensibilità, l'affidabilità operativa e le competenze tecniche richieste. Ad esempio, per la rilevazione del cromo, la maggior parte dei kit commerciali offre intervalli di rilevamento fino a 1 mg/L e alcuni fino a 10 mg/L (Chemetrics²⁰), ma i loro limiti di rilevamento (LOD) e i conteggi minimi sono in genere superiori alla soglia raccomandata dall'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) per l'acqua potabile sicura. Ad esempio, il kit HACH²¹ (5-100) e (50-1000) mg/L, pur coprendo un ampio intervallo, dimostra una scarsa sensibilità a basse concentrazioni (conteggio minimo ≥5 mg/L) e costa 125,95 per campione, richiedendo competenze sperimentali di base e interpretazione visiva dal cambiamento di colore. I kit Hanna Hi3846²² e Himedia²³, sebbene più convenienti (rispettivamente 51,00 e 375,00 per campione), mostrano anche una sensibilità limitata, con il minor numero di dosi del kit Hanna a 0,2 mg/L. I kit Merck²⁴ e Chemetrics²⁰ utilizzano letture digitali e spaziano da intervalli di rilevamento intermedi ad alti (2-10 mg/L). Tuttavia, i loro costi per campione sono significativamente più elevati (fino a 823,20) e la loro sensibilità rimane non ottimale per la conformità normativa. Il kit BARC²⁵, sebbene facile da usare e adatto per la categorizzazione rapida sul campo della sicurezza dell'acqua, soffre anche di un limite di rilevamento relativamente elevato (≥0,05 mg/L) e di un'uscita qualitativa, piuttosto che quantitativa.

Allo stesso modo, per la rilevazione del fluoruro, i kit disponibili in commercio come Aquasol AE210²⁶ (intervalli 0,1-2 mg/L e 120 mg/L) e Himedia²⁷ (0-2,5 mg/L) sono tra i più convenienti, rispettivamente 6 e 11,60 per campione, ma si basano sulla colorimetria visiva con limiti di sensibilità non specificati e tempo impiegato per analizzare il campione. Le opzioni di fascia media includono i kit Merck Colourimetric²⁸ (intervallo di rilevamento 0-0,8 mg/L, 292,20 per campione) e Photometric²⁹ (intervallo di rilevamento 0,1-2,5 mg/L, 456 per campione), con quest'ultimo che offre letture digitali a costi più elevati. Sistemi poco sofisticati come l'Hanna Hi739³⁰ (intervallo di rilevamento 20-20 mg/L, 362 per campione) e Prerana Laboratories³¹ (150 per campione) dimostrano compromessi tra il tempo di rilevamento (≥1 minuto per Hanna rispetto a 10-30 minuti per Prerana) e la precisione analitica, sebbene entrambi manchino di specifiche esplicite di sensibilità. I kit esistenti danno la priorità all'accessibilità economica con sensibilità compromessa o a una maggiore precisione a costi elevati, con limiti di rilevamento compromessi nella gamma media fino a 20 mg/L.

I kit di rilevamento del ferro disponibili in commercio presentano diverse caratteristiche prestazionali, con compromessi significativi tra sensibilità, costo e complessità operativa. L'AE303³² offre un intervallo di rilevamento di 0-2 mg/L a 14 per campione, utilizzando una tecnica colorimetrica visiva. Allo stesso modo, un altro kit di questo tipo per la rilevazione del ferro, HI3834³³, copre 0-5 mg/L (52 per campione) con un conteggio minimo di 1 mg/L e un tempo di rilevamento di ≥ 4 minuti, richiedendo la capacità di eseguire esperimenti di base. L'Insa tech³⁴ serve per l'applicazione di rilevatori ad alta concentrazione nell'intervallo 50-800 mg/L, anche se il suo costo elevato e la sensibilità (≥50 mg/L) con un tempo di rilevamento di 75 minuti ne limitano l'applicazione per scopi generali. Il kit³⁵ di Prerana Laboratories (intervallo di rilevamento 0-1 mg/L, 28 per campione) migliora la rilevazione a basse concentrazioni (sensibilità di 0,1 mg/L) ma richiede un tempo di analisi di 30 minuti. Le strisce reattive³⁶ di Hach (intervallo di rilevamento 0-5 mg/L, costo non specificato) raggiungono un conteggio minimo di 0,15 mg/L ma si basano sull'interpretazione soggettiva dei colori.

I kit commerciali per la rilevazione dell'arsenico dimostrano una significativa variabilità in termini di prestazioni analitiche, costi e complessità operativa. Il kit da campo BARC³⁷ (0-0,01 mg/L, 5-10 per campione) utilizza un reagente non tossico e un'analisi colorimetrica di 10 minuti, offrendo accessibilità rurale ma basandosi su un confronto visivo soggettivo. L'AE408³⁸ (0-0,1 mg/L/0-3 mg/L, 77,40 per campione) dà la priorità alla portabilità e alla conformità APHA, sebbene la sua sensibilità rimanga non specificata. Una maggiore sensibilità è ottenuta dal kit Lovibond³⁹ (0-0,5 mg/L, 500 per campione, che rileva l'arsenico a 5 μg/L^, conforme alle linee guida dell'OMS, attraverso un protocollo sicuro e resistente alle interferenze dei solfuri. Sistemi premium come il kit ITS⁴⁰ di Cole-Parmer (limite di rilevamento di 2 μg/L, 480 per campione) e il Palintest Visual Kit⁴¹ (200 test/560 sterline, ~280 per campione) offrono una maggiore precisione con la verifica EPA o i sistemi a triplo filtro, ma comportano costi elevati.

I kit di rilevamento disponibili in commercio per cromo, fluoruro, ferro e arsenico presentano limitazioni critiche di sensibilità, costi e affidabilità operativa che ne ostacolano l'utilità in ambienti di campo. Per il cromo, i kit commerciali come HACH (conteggio minimo ≥5 mg/L) e Hanna Hi3846 (≥0,2 mg/L) funzionano al di sopra del limite dell'OMS (0,05 mg/L), con costi che vanno da 51 a 823 per test e si basano su un'interpretazione visiva soggetta a errori. Allo stesso modo, i kit al fluoro come AE210 (risoluzione 0,1 mg/L) e fotometrici (456 per campione) danno la priorità all'accessibilità o alla precisione, ma mancano di un rilevamento rapido e non conforme all'OMS. La rilevazione del ferro soffre di conteggi minimi elevati (HI3834: 1 mg/L; strisce: 0,15 mg/L) e tempi di analisi prolungati (Prerana: 30 min), mentre i kit di arsenico come BARC (10 μg/L LOD) e Lovibond (5 μg/L) devono affrontare lacune di affidabilità inferiori a 70 μg/L e costi elevati (fino a 500/test). Il dispositivo multi-analita proposto affronta queste lacune attraverso significativi progressi trasformativi nel rilevamento ultra-sensibile, nell'economicità, nella facilità d'uso e nell'analisi rapida e in loco. Colmando il compromesso tra sensibilità e costi e fornendo prestazioni robuste in matrici complesse, questo dispositivo risolve le lacune e le lacune di lunga data nella letteratura nel monitoraggio della qualità dell'acqua distribuibile sul campo, in particolare nelle regioni con scarse risorse dove l'accessibilità, la precisione e la facilità d'uso sono fondamentali. La sua capacità di rilevare il grado di conformità con la funzionalità digitale point-of-care rappresenta un cambiamento di paradigma nell'analisi ambientale e sanitaria, superando i limiti delle soluzioni commerciali frammentate e specifiche per l'analita.

Nello scenario attuale, la società richiede un sensore per trasmettere la concentrazione effettiva dei vari inquinanti. I kit di test POCT (Work and Point-of-Care) esistenti soddisfano questo requisito. Quindi, c'è bisogno di un robusto kit POCT con prestazioni paragonabili a quelle di apparecchiature di fascia alta come UV-Vis, AAS o ICP-MS, ecc., in grado di rilevare più inquinanti. Il presente lavoro mira a sviluppare un metodo robusto e kit POCT per servire allo scopo. Qui sono stati sviluppati un metodo e un kit POCT per rilevare diversi metalli pesanti in campioni ambientali, biologici e di alimenti e bevande. La tecnica di pre-elaborazione dei campioni è stata adottata e implementata utilizzando il sensore ottico sviluppato internamente per quantificare Fe, As, Cr e F. Il sensore ottico è stato sviluppato sulla base del principio di funzionamento del LED-LDR; ecco perché si chiama kit POCT abilitato per E-Eyes. Il dispositivo POCT multiplex sviluppato riportato in questo lavoro dimostra una forte applicabilità pratica per il monitoraggio della qualità dell'acqua in loco, in particolare in contesti con risorse limitate. Ogni slot di rilevamento ha un analita specifico che utilizza reagenti selettivi e condizioni ottimizzate. La rilevazione Fe²⁺ funziona efficacemente nell'intervallo di concentrazione di 0,01-5,0 mg/L, con un limite di rilevabilità (LOD) di 0,017 mg/L. Il canale Cr, che impiega la chimica del difenilcarbazide, copre un intervallo dinamico di 10-500 μg/L e raggiunge un LOD di 10,78 μg/L. Il rilevamento del fluoruro attraverso il metodo di decolorazione del complesso Fe-SCN consente una rilevazione affidabile da 0,5 a 47,5 mg/L, con un LOD di 0,46 mg/L. Sulla base della reazione del blu di molibdeno, la rilevazione dell'arsenico è efficace in un intervallo di 5-100 μg/L con un LOD di 8 μg/L. Tutte le reazioni vengono eseguite a temperatura ambiente (25 ± 2 °C) e l'intero test viene completato in meno di 5 minuti senza richiedere strumentazione sofisticata o personale qualificato. Queste caratteristiche affermano l'applicabilità del metodo e la conformità agli standard di qualità dell'acqua dell'OMS. Prima di eseguire la reazione in laboratorio, è stata adottata la teoria della funzione di densità dipendente dal tempo (TD-DFT) per stabilire le reazioni chimiche specifiche (serratura e chiave) per ogni analita. Questa analisi TD-DFT prevede anche il rispettivo probabile λ_max del reagente e il prodotto principale della reazione, che è la spina dorsale fondamentale del sensore e garantisce la probabile efficacia del sensore. È stato sviluppato un prototipo per il kit POCT abilitato per E-Eyes e il prototipo è stato tradotto in un dispositivo. L'intero flusso di lavoro è stato illustrato nella Figura 1. Il dispositivo è stato testato su più di 2000 campioni e le sue prestazioni sono state confrontate con i risultati ottenuti utilizzando UV-Vis, ICP-MS e AAS. In tutti i casi, le prestazioni del dispositivo sono altamente soddisfacenti, con deviazioni minime e massime rispettivamente dell'1,25% e del 6,25%.

Protocollo

1. Calcolo e validazione del meccanismo di rilevamento della reazione

1. Selezionare la reazione della serratura e della chiave in base al principio chimico di base dell'analita mirato.
2. Utilizzare il programma Gaussian 09 per eseguire tutti i calcoli utilizzando il metodo ibrido Becke, a 3 parametri, Lee-Yang-Parr (B3LYP) e il set^{di basi 14} del Los Alamos National Laboratory 2 Double ζ (LanL2DZ) per ottenere risultati più accurati nel calcolo elettronico che coinvolge l'analita mirato. In questo caso, il protocollo è discusso solo per il ferro (Fe), che si applica a tutti gli altri analiti.
3. Introdurre l'approccio del campo di reazione autoconsistente (SCRF) con il modello del continuum polarizzabile (PCM) per tenere conto dell'effetto solvente. Si presume che l'acqua sia un solvente in questo protocollo.
4. Ottimizza la geometria molecolare utilizzando la funzione geom=connectivity. Aiuta a conservare le informazioni esplicite sul legame nel processo di ottimizzazione.
5. Calcolare l'energia dello stato fondamentale necessaria per calcolare la struttura ottimizzata della molecola, utilizzando i passaggi menzionati in 1.2 e 1.3.
6. Ottenere la transizione elettronica dello stato eccitato con il metodo TD-SCF (Time-Dependent Self-Consistent Field) (ns=60)¹⁴. Utilizzare lo stesso metodo per ottenere gli spettri di assorbimento UV.
7. Ottimizza la geometria della molecola mediante calcoli DFT allo stato fondamentale utilizzando il funzionale B3LYP e il set di basi LanL2DZ.
8. Ottieni la struttura ottimizzata di 1,10-fenantrolina e Fe²⁺ come mostrato nella Figura 2A, B.
9. Allo stesso modo, simulare la struttura molecolare dell'esafluoroferrato (FeF₆), che ha una struttura ottaedrica con Fe³⁺ come atomo centrale circondato da 6 atomi F^- come presentato nella Figura 2C.
   NOTA: La reazione, cioè la formazione di ferroina, è specifica per Fe²⁺. Questo è il motivo per cui, inizialmente, Fe³⁺ dovrebbe essere ridotto a Fe²⁺ secondo la reazione seguente.
   
   Il Fe²⁺ reagisce rapidamente con l'1,10-fenantrolina e forma la ferroina, un complesso di colore arancione visibile ad occhio nudo (vedi la reazione di seguito). Questa reazione è il cuore del sensore, come mostrato nella Figura 2.

2. Sviluppo di un sensore chimico colorimetrico

1. Procurarsi le sostanze chimiche di grado analitico necessarie per la reazione di cui sopra.
2. Trasferire volumi uguali di citrato trisodico diidrato, acido ascorbico e 1,10-fenantrolina in una provetta di coltura di vetro trasparente.
   1. Nell'esperimento, 1 mL di ciascun reagente è stato preso in una provetta di coltura in vetro trasparente da 5 mL. Dopo aver aggiunto 1 mL di ciascun reagente (1 mL di acido ascorbico, 1 mL di citrato trisodico e 1 mL di fenantrolina), aggiungere 2 mL di brodo. Se sono stati aggiunti 5 mg/L di brodo, la concentrazione finale è di 2 mg/L (C1V1 = C2V2) e il volume finale è di 5 mL.
3. Ottimizzare il rapporto dei reagenti per ottenere il pH del mezzo di reazione utilizzando l'acido ascorbico, che funge anche da agente mascherante. Ottimizzare i reagenti per ottenere un pH di 2 alla massima assorbanza a una lunghezza d'onda di 510 nm.
4. Utilizzare un agente mascherante per eliminare l'interferenza del rame, poiché anche la 1,10-fenantrolina forma un complesso di colore giallo con il rame in un ambiente alcalino.
   NOTA: Il rame può interferire con la reazione poiché anche la 1,10-fenantrolina forma un complesso di colore giallo con il rame in un ambiente alcalino. Quindi, mantenere il pH del terreno è molto cruciale. L'acido ascorbico serve allo scopo. Tuttavia, il pH può cambiare nel tempo e l'azoto della 1,10-fenantrolina può diventare protonato a questo pH basso. Per superare queste difficoltà, viene utilizzato un tampone citrato trisodico, che aiuta a mantenere il pH e a prevenire la protonazione della 1,10-fenantrolina.
5. Preparare le soluzioni di Fe²⁺ con diverse concentrazioni che vanno da 0,05 mg/L a 4,0 mg/L da FeSO 4,7H₂O.
6. Aggiungere 1 mL di questa soluzione alla miscela di reazione illustrata nella Figura 3A, che fornisce ferroina di colore arancione come indicatore del Fe²⁺ (Figura 3B).
   NOTA: Qui, l'aggiunta della soluzione madre alla miscela di reagenti è il punto di controllo visivo, che produce il colore arancione. Particolare attenzione deve essere prestata agli agenti riducenti, in quanto la 1,10-fenantrolina è selettiva nei confronti del Fe²⁺ e non forma un complesso con il Fe³⁺.
7. Raccogli i campioni grezzi e filtrali utilizzando una carta da filtro Whatman delle dimensioni dei pori, carta da filtro da 20-25 μm. Se necessario, eseguire la diluizione post-filtrazione¹⁴.
   1. Raccogli campioni d'acqua direttamente dalle fonti ambientali (ad es. fiume Brahmaputra) in bottiglie di polietilene ad alta densità pre-pulite e lavate con acido. Tappare immediatamente le bottiglie e filtrare (entro 2 ore) utilizzando una carta da filtro Whatman con pori di 20-25 μm. Eseguire un pretrattamento per rimuovere i sedimenti e il colore dai campioni diversi dall'acqua deionizzata addizionata (principalmente campioni ambientali; vedere il file supplementare 1).
8. Misurare la quantità di ferro nei campioni utilizzando la spettroscopia UV-Vis in un intervallo di lunghezze d'onda di 250-750 nm, che è considerata la tecnica gold standard nella presente misurazione.
   1. Posizionare i campioni in cuvette di quarzo con una lunghezza del percorso di 1 cm. Effettuare le misure di assorbanza a lunghezze d'onda specifiche corrispondenti al picco di assorbanza di ciascun analita in triplicato. Eseguire la correzione della linea di base utilizzando uno spazio vuoto contenente la stessa acqua. Eseguire tutte le misurazioni a temperatura ambiente in condizioni di laboratorio standard (velocità di scansione: media, tipo di misurazione: assorbanza, larghezza della fessura: 5,0 L, rivelatori: diretta) per garantire la coerenza e l'affidabilità dei risultati.
      NOTA: Le cuvette Quratz utilizzate per la spettroscopia UV-vis devono essere otticamente uguali e chiare per garantire misurazioni accurate dell'assorbanza. Eventuali macchie, residui o graffi visibili possono introdurre errori significativi e giustificare la sostituzione immediata.
9. Addizionare i campioni con Fe²⁺ in diverse concentrazioni comprese tra 0,05 e 4 mg/L, se il Fe²⁺ non viene trovato nel passaggio 2.8. Ridurre il Fe³⁺ utilizzando l'acido ascorbico prima del passaggio 2.8 per stimare il ferro totale nei campioni.
   NOTA: Tutte le reazioni avvengono a temperatura ambiente. Il complesso di ferroina si forma immediatamente dopo l'aggiunta di Fe²⁺. Pertanto, il sensore funziona bene a temperatura ambiente e il suo tempo di risposta è molto breve, entro pochi secondi.

3. Progettazione e realizzazione del prototipo del kit E-Eye-Enable POCT

1. Procurati LDR, un LED bianco, un LCD, un microcontrollore a microprocessore e resistori.
2. Disponi un LED e un LDR uno di fronte all'altro su una scatola stampata in 3D. La scatola contiene una cuvetta in cui la ferroina si forma attraverso la reazione della serratura e della chiave, come indicato nella Figura 4A.
   NOTA: Il LED qui utilizzato emette luce bianca; il suo diametro è di circa 5 mm e la sua tensione inversa è di 5 V. L'LDR utilizzato nel prototipo ha una capacità di rilevamento da 5 Ω a 10 kΩ. Inoltre, questo LDR rileva efficacemente la lunghezza d'onda che va da 400 a 700 nm emessa dal LED qui utilizzato.
3. Completa il circuito con i componenti hardware elettronici necessari: resistori (3,3 kΩ), cavi di collegamento e un'unità LCD (SKU: 11497).
4. Interfacciare tutti i componenti di cui sopra con un microprocessore attraverso un circuito partitore di tensione raffigurato nella Figura 4B. Eseguire la programmazione utilizzando l'IDE Arduino v1.8.19. Leggere il segnale analogico basato su LED-LDR di ciascun canale utilizzando i pin analogici (A0-A3).
   NOTA: Il microprocessore funge da unità di elaborazione centrale del circuito. Il sistema di acquisizione dati optoelettronico è stato realizzato utilizzando un microcontrollore Arduino Uno (Rev3).
5. Alloggia gli avanzati e sofisticati filtri elettronici (resistenza 10 kΩ, capacità 1 μF) per migliorare l'efficienza del sensore sopprimendo il rumore e aumentando il vigore strumentale del dispositivo.
6. Stampare il circuito stampato (PCB) se il progetto è completo.
7. Fornire l'alimentazione al circuito accendendo l'interruttore elettronico e registrando la risposta del sensore in termini di resistenza.
   1. Dopo aver acceso l'interruttore, il LED emette una luce che passa attraverso la camera di reazione. L'LDR rileva l'intensità della luce trasmessa e fornisce una resistenza. Correlare questa resistenza con la concentrazione di Fe²⁺ presente nel campione. Questa correlazione dei campioni noti fornisce una calibrazione per il grafico. Incorporare l'equazione ottenuta da questo grafico di calibrazione all'interno dell'algoritmo derivato.
8. L'intero schema elettrico è illustrato nella Figura 4C. Stampare il dispositivo dopo aver completato tutti i passaggi sopra menzionati in questa sezione. L'immagine reale del dispositivo fabbricato è mostrata nella Figura 4D.
   NOTA: La stampa del circuito stampato migliora l'affidabilità e garantisce una robusta integrazione dei componenti hardware elettronici.

4. Sviluppo di un dispositivo multiplexato

NOTA: Sono necessari più canali per rilevare più analiti in un unico colpo. Per questo, quattro canali sono installati e integrati con il prototipo.

1. Crea quattro fessure nella scatola 3D per tenere le quattro cuvette nelle rispettive posizioni. Isolare otticamente ed elettronicamente ogni slot di rilevamento per ridurre al minimo le interferenze, fisicamente con barriere opache tra i canali ed elettronicamente utilizzando coppie LED-LDR separate e divisori di tensione individuali per evitare la sovrapposizione del segnale.
   1. Assegnare uno slot a un particolare analita; Non scambiare gli slot. Lo slot assegnato a un particolare analita deve contenere la cuvetta che contiene solo reagenti specifici per quell'analita.
2. Ripetere i protocolli menzionati nei passaggi da 3.3 a 3.7. Tutte e quattro le coppie di LED-LDR sono collegate in parallelo al circuito stampato. Uno schema elettrico rappresentativo e l'immagine del prototipo di sei di questi slot (6 slot) sono mostrati nella Figura 5.
3. Accendere l'interruttore per fornire alimentazione al circuito. Tutti i LED si accendono; di conseguenza, gli LDR rilevano tutti e quattro gli analiti contemporaneamente.
   NOTA: Funziona secondo lo stesso principio descritto nella nota al punto 3.7. È essenziale notare la resistenza del bianco; Qualsiasi modifica soggetta a fattori esterni merita una ricalibrazione. Il dispositivo è stato fabbricato per la spettroscopia UV-vis. Tuttavia, la sorgente ottica (LED) utilizzata in questo lavoro comprende una lunghezza d'onda di 400-750 nm. Pertanto, qualsiasi assorbimento complesso di raggi UV o nel vicino infrarosso potrebbe non fornire risultati accurati. Il dispositivo può funzionare solo nel suo campo lineare. Pertanto, qualsiasi analita contaminato in eccesso o al di sotto di questo intervallo non può fornire un output affidabile.

Risultati

Questo manoscritto discute il protocollo per la progettazione e lo sviluppo di un kit POCT ottico multiplexato, che rileva Fe, Cr, As e F in vari campioni. La Figura 1 mostra gli algoritmi dell'intera procedura. Il sensore chimico colorimetrico è stato sviluppato sulla base dei risultati della simulazione TD-DFT. Questo sensore chimico è integrato con un sensore ottico sviluppato internamente. Il dispositivo finale è un sensore digitale POCT abilitato E-Eye....

Discussione

La convalida del kit POCT abilitato per E-Eye rispetto al gold standard (UV-vis) è mostrata nella Figura 5. A tale scopo, sono stati preparati campioni addizionati di Fe²⁺ . La sua concentrazione è stata misurata in triplicato con il kit E-Eye POCT sviluppato e lo spettrofotometro UV-vis, ed è stato riportato il valore medio. Entrambe le letture sono state confrontate ed è stato osservato che il dispositivo è conforme al gold standard. I risultati...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
1,10-fenantriolina monoidrato (C12H8N2. H2O)	5144-89-8	Sigma Aldrich, India
1,5-difenicarmazazide (C13H14N4O)	140-22-7	Sigma Aldrich, India
Acetone (C3H6O)	67-64-1	Sigma Aldrich, India
Ammonio molibdato tetraidrato ((NH?)? Mo? O?? & middot; 4H? O)	12054-85-2	Sigma Aldrich, India
Scheda di sviluppo Arduino UNO	SKU  A000066	Robu.in
Acido ascorbico (C6H8O6)	50-81-7	Himedia, India
Breadboard	SKU: 24441	Robu.in
Cloruro ferrico (FeCL3)	7705-08-0	Himedia, India
Solfato ferroso eptaidrato (FeSO4.7H2O)	7782-63-0	Himedia, India
Acido cloridrico (HCl)	7647-01-0	Finar, India
Perossido di idrogeno (H2O2)	7722-84-1	Finar, India
Fili di collegamento	Numero di riferimento: 44281	Robu.in
Diodo a emissione luminosa (LED)	SKU: R110553	Robu.in
Resistenza dipendente dalla luce (LDR)	SKU: 1496181	Robu.in
Display a cristalli liquidi (LCD)	SKU: 11497	Robu.in
Milli-Q acqua (18,2  MΩ)
Multimetro	SKU: 1720374	Robu.in
Acido nitrico (HNO3)	7697-37-2	Finar, India
Soluzione salina tamponatrice di fosfato (PBS)	SKU:  M1866	Himedia, India
Dicromato di potassio (K2Cr2O7)	7778-50-9	Himedia, India
Potenziometro	SKU: 790452	Robu.in
Resistori	SKU: R225238	Robu.in
Arsenato di sodio eptaidrato (Na2HAsO4· 7H2O)	10048-95-0	Himedia, India
Diidrogeno fosfato di sodio (NaH2PO4)	13472-35-0	Himedia, India
Fluoruro di sodio (NaF)	7681-49-4	Himedia, India
Tiocianato di sodio (NaSCN)	540-72-7	Himedia, India
Acido solforico (H2SO4)	7664-93-9	Finar, India
Diidrato di citrato trisodico (Na3C6H5O7.2H2O)	03-04-6132	Himedia, India