방법 논문

환경, 생물학 및 식품 샘플에서 Fe, Cr, F 및 As의 현장 정량화를 위한 TD-DFT 유도 고급 E-Eye 감지 기술

DOI:

10.3791/68767

⸱

2025년 9월 19일

 ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

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

이 작업은 환경 샘플, 생물학적 샘플, 식품 및 음료에서 Fe, Cr, As 및 F를 검출하는 E-Eye-Enable POCT 장치를 설계하고 개발하기 위한 프로토콜에 대해 논의했습니다. 거의 2000개의 샘플이 테스트되었으며 결과는 황금 표준 기술과 일치합니다.

초록

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

이 백서는 E-Eye 지원 POCT(Multiplexed Point-of-Care Testing) 키트를 설계하고 개발하는 단계별 프로토콜을 보여줍니다. 우리는 TD-DFT(시간 종속 밀도 함수 이론)를 사용하여 장치 하드웨어의 세부 사항을 살펴보기 전에 센서의 기본 작동 원리를 탐구합니다. TD-DFT 분석은 표적 원소의λ max 를 제공하여 분석물에서 오염 물질을 검출하는 가장 정확한 경로를 찾는 데 도움이 됩니다. TD-DFT 분석은 Gaussian 09 및 Gauss View 5.0 소프트웨어에서 수행됩니다. 전자 눈(E-Eye)이라는 광학 센서는 λ최대 값과 발광 다이오드/빛 의존 저항(LED/LDR) 원리를 기반으로 개발되었습니다. E-Eye 장치는 LED, 서로 반대편에 배치된 LDR 및 중앙 마이크로프로세서 역할을 하는 전압 분배기를 통해 마이크로프로세서와 인터페이스되는 액정 디스플레이(LCD)를 포함한 기타 하드웨어로 제작되었습니다. 처음에는 모든 샘플(환경, 생물학, 식품 및 음료)을 전처리하여 수성상에서 모든 표적 원소를 추출했습니다. 특정 (잠금 및 키) 반응이 지정된 반응기에서 수행되었으며 디스플레이 장치에서 관찰된 판독값이 기록되었습니다. Fe, Cr, As 및 F를 동시에 검출하기 위해 자체 다중화 장치도 제작되었습니다. 센서의 효능은 2000개 이상의 샘플에 대해 테스트되었으며 골드 스탠다드 방법과 비교되었습니다. 환경, 생물학, 식품 및 음료 샘플에 대해 95.3%, 94.7% 및 95.4%의 정확도로 우수한 정밀도가 확인되었습니다. 비소 센서의 성능은 원자 흡수 분광법(AAS) 결과와 비교되었으며 다른 모든 결과, 즉 철, 크롬 및 불소 센서는 UV-Vis 분석에서 얻은 결과와 비교되었습니다.

서론

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중금속은 인간에게 필수적인 지구 생태계를 유지하는 데 중요한 역할을 합니다1. 오히려 최근 시대의 산업 성장과 천연 자원의 인적 취급으로 인해 중금속은 먹이 사슬 및 기타 생명체의 필수 상품에 오염 물질이 되어 현대 문명에 심각한 경종을 울리고 있습니다. 이는 살아있는 몸과 무생물의 신체에 생물 축적이 있고 분해되지 않는 특성 때문입니다2. 이와 관련하여 미국 정부는 식품 품질을 모니터링하기 위해 오랫동안 이유식을 포함한 식품 등급을 지속적으로 평가해 왔습니다. 그들은 전국적으로 22개 이상의 원소와 3200개 이상의 샘플을 분석했습니다3.

많은 경우 중금속 수치는 WHO와 미국 식품의약국(FDA)과 2022년 7월 Total Diet Study Report(TDS)에서 권장하는 임계값 한도를 초과했습니다. 유럽의 수역과 토양에 대해서도 비슷한 결론을 도출할 수 있습니다 4,5. 토양과 물 외에도 중금속의 강력한 존재는 생명을 위험에 빠뜨립니다 6,7. 인도는 강을 기반으로 하는 국가이며 최근 조사에 따르면 강의 43% 이상에 놀라운 수준의 많은 중금속 및 기타 오염 물질이 함유되어 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다 8,9. 이 프로그램8에서는 27.5억 명 이상의 어린이의 혈중 납 수치가 5μg/dL 이상으로 안전하지 않은 것으로 간주되는 것으로 받아들여졌습니다.

위의 논의는 글로벌 사회의 안녕을 위해 중금속 및 기타 유해 화학 물질에 대한 지속적인 모니터링의 필요성을 설명합니다. 중금속의 검출 및 농도 측정에는 UV-Vis 분광법, AAS, 유도 결합 플라즈마-원자 방출 분광법(ICP-AES), 유도 결합 플라즈마-질량 분석법(ICP-MS) 등 다양한 기술이 있습니다(미국 식품의약국, Total Diet Study Report(TDS), 2022년 7월)3. 고급 장비와 숙련된 인력의 필요성으로 인해 중금속을 신속하게 현장에서 검출할 수 있는 이러한 방법이 제한됩니다. 위 단락에서 논의된 상황에는 토양, 공기 및 물의 질을 모니터링하는 데 도움이 될 수 있는 사용자 친화적이고 빠르고 정확한 중금속 현장 검출 키트가 필요합니다.

앞서 언급한 중금속에 대한 현장 검출 키트10,11을 개발하려는 많은 시도가 있었습니다. 그 중일부는 12,13,14,15개는 성공했고 일부는 13개는 WHO 권장 사항의 요구 사항을 충족하지 못했습니다. 그들 중 일부는 분석물 농도의 디지털 값을 표시하는 디지털 센서입니다 16,17,18. 나머지는 임신 테스트에 사용되는 종이 기반 미세유체 센서와 같은 정성적 센서로, 샘플19에서 표적 오염 물질의 존재 및 부재를 표시할 수 있습니다. 시중에는 다양한 브랜드, 제조사 및 모델의 여러 키트가 시중에서 판매되고 있으며, 이는 물 및 기타 샘플의 중금속 존재 여부를 테스트하기 위해 일상적으로 배치될 수 있습니다. 이러한 키트는 일반적으로 검출 범위, 샘플당 비용, 감도, 작동 신뢰성 및 필요한 기술과 같은 핵심 성과 지표를 기준으로 등급이 매겨집니다. 예를 들어, 크롬 검출을 위해 대부분의 상용 키트는 최대 1mg/L의 검출 범위와 최대 10mg/L(Chemetrics20)의 검출 범위를 제공하지만 검출 한계(LOD) 및 최소 개수는 일반적으로 안전한 식수에 대한 세계보건기구(WHO) 권장 임계값보다 높습니다. 예를 들어, HACH21 키트(5-100) 및 (50-1000) mg/L는 광범위한 범위를 포괄하지만 낮은 농도(최소 카운트≥5mg/L)에서는 감도가 낮고 figure-introduction-1샘플당 비용이 125.95이므로 기본적인 실험 기술과 색상 변화에 대한 시각적 해석이 필요합니다. Hanna Hi384622 및 Himedia23 키트는 더 저렴하지만(figure-introduction-2샘플당 각각 51.00 및 figure-introduction-3375.00) Hanna 키트의 최소 카운트가 0.2mg/L로 제한적입니다. Merck24 및 Chemetrics20 키트는 디지털 판독값을 사용하며 중간에서 높은 검출 범위(2-10mg/L)에 걸쳐 있습니다. 그럼에도 불구하고 샘플당 비용은 훨씬 더 높으며(최대 823.20) figure-introduction-4감도는 규정 준수에 최적이 아닙니다. BARC 키트25는 사용자 친화적이고 물 안전의 신속한 현장 분류에 적합하지만 상대적으로 높은 검출 한계(0.05mg/L≥)와 정량적이기보다는 정성적 출력으로 인해 어려움을 겪습니다.

마찬가지로, 불소 검출의 경우 Aquasol AE21026(0.1-2 mg/L 및 120 mg/L 범위) 및 Himedia27(0-2.5 mg/L) 키트와 같은 상업적으로 이용 가능한 키트는 샘플당 각각 6 및 figure-introduction-511.60으로 figure-introduction-6가장 저렴하지만 불특정 감도 한계와 샘플 분석에 걸리는 시간이 있는 시각적 비색법에 의존합니다. 중급 옵션에는 Merck Colorimetric28(검출 범위 0-0.8 mg/L, figure-introduction-7샘플당 292.20) 및 Photometric29 키트(검출 범위 0.1-2.5 mg/L, figure-introduction-8샘플당 456)가 포함되며, 후자는 더 높은 비용으로 디지털 판독을 제공합니다. Hanna Hi73930(검출 범위 20-20 mg/L, figure-introduction-9샘플당 362개) 및 Prerana Laboratories31(figure-introduction-10샘플당 150개)과 같은 약간 정교한 시스템은 검출 시간(Hanna의 경우 ≥1분, Prerana의 경우 10-30분)과 분석 정밀도 간의 균형을 보여줍니다. 기존 키트는 감도가 저하된 경제성을 우선시하거나 높은 비용으로 정밀도를 향상시켰으며, 검출 한계는 최대 20mg/L의 중간 범위에서 손상됩니다.

시중에서 판매되는 철 검출 키트는 감도, 비용 및 작동 복잡성 간에 상당한 절충안이 있는 다양한 성능 특성을 나타냅니다. AE30332 는 시각적 비색 기술을 활용하여 샘플당 14에서 0-2mg/L 검출 범위를 figure-introduction-11제공합니다. 유사하게, 철 검출을 위한 또 다른 키트인 HI383433은 0-5mg/L(샘플당 52개)figure-introduction-12를 최소 1mg/L이고 검출 시간은 ≥ 4분이므로 기본 실험을 수행할 수 있는 능력이 필요합니다. Insa tech34 는 50-800 mg/L 범위의 고농도 검출 응용 분야에 제공되지만 검출 시간이 75분인 높은 비용과 감도(≥50 mg/L)로 인해 범용으로의 적용이 제한됩니다. Prerana Laboratories 키트35 (0-1 mg/L 검출 범위, figure-introduction-13샘플당 28개)는 저농도 검출(0.1 mg/L 감도)을 개선하지만 분석 시간은 30분입니다. Hach의 테스트 스트립36 (0-5 mg/L 검출 범위, 불특정 비용)은 0.15 mg/L 최소 개수를 달성하지만 주관적인 색상 해석에 의존합니다.

상업용 비소 검출 키트는 분석 성능, 비용 및 운영 복잡성에서 상당한 변동성을 보여줍니다. BARC 현장 키트37 (0-0.01 mg/L, figure-introduction-14샘플당 5-10개)은 무독성 시약과 10분 비색 분석을 사용하여 농촌 접근성을 제공하지만 주관적인 시각적 비교에 의존합니다. AE40838 (0-0.1 mg/L/0-3 mg/L, figure-introduction-15샘플당 77.40)은 휴대성과 APHA 준수를 우선시하지만 감도는 지정되지 않았습니다. Lovibond 키트39 (0-0.5 mg/L, figure-introduction-16샘플당 500, 5μg/L의 비소를 검출하고 안전한 황화물 간섭 방지 프로토콜을 통해 WHO 지침을 충족)로 더 높은 감도를 달성합니다. Cole-Parmer ITS 키트40 (검출 한계 2μg/L, figure-introduction-17샘플당 480개) 및 Palintest Visual Kit41 (200개 테스트/£560, 샘플당 ~figure-introduction-18280개)과 같은 프리미엄 시스템은 EPA 검증 또는 트리플 필터 시스템으로 향상된 정밀도를 제공하지만 비용이 많이 듭니다.

크롬, 불소, 철 및 비소에 대해 상업적으로 이용 가능한 검출 키트는 현장 환경에서의 유용성을 방해하는 중요한 감도, 비용 및 작동 신뢰성 제한을 나타냅니다. 크롬의 경우 HACH(최소 카운트 ≥5mg/L) 및 Hanna Hi3846(≥0.2mg/L)과 같은 상용 키트는 WHO 제한(0.05mg/L) 이상으로 작동하며 테스트당 51-823 범위 figure-introduction-19의 비용과 오류가 발생하기 쉬운 시각적 해석에 의존합니다. 마찬가지로 AE210(0.1mg/L 분해능) 및 Photometric(figure-introduction-20샘플당 456개)과 같은 불소 키트는 경제성이나 정밀도를 우선시하지만 신속하고 WHO 미만 준수 검출이 부족합니다. 철 검출은 높은 최소 카운트(HI3834: 1mg/L, 스트립: 0.15mg/L)와 긴 분석 시간(Prerana: 30분)으로 인해 어려움을 겪는 반면, BARC(10μg/L LOD) 및 Lovibond(5μg/L)와 같은 비소 키트는 70μg/L 미만의 신뢰성 격차와 가파른 비용(최대 500/테스트) figure-introduction-21 에 직면해 있습니다. 제안된 다중 분석물 장치는 초고감도 검출, 비용 효율성, 사용자 친화성, 신속한 현장 분석 분야의 획기적인 혁신을 통해 이러한 공백을 해결합니다. 감도-비용 균형을 해소하고 복잡한 매트릭스에서 강력한 성능을 제공함으로써 이 장치는 특히 경제성, 정밀도 및 사용 편의성이 가장 중요한 자원이 부족한 지역에서 현장 배치 가능한 수질 모니터링의 오랜 문헌 격차와 공백을 해결합니다. 디지털 현장 진료 기능으로 규정 준수 등급을 감지하는 기능은 환경 및 의료 분석의 패러다임 전환을 나타내며 단편화된 분석물별 상용 솔루션의 한계를 극복합니다.

현재 시나리오에서 사회는 다양한 오염 물질의 실제 농도를 방송하기 위한 센서를 요구합니다. 기존 작업 및 현장 진료 테스트(POCT) 키트는 이 요구 사항을 충족합니다. 따라서 여러 오염물질을 검출할 수 있는 UV-Vis, AAS, ICP-MS 등과 같은 고급 장비에 필적하는 성능을 갖춘 견고한 POCT 키트가 필요합니다. 본 연구는 목적을 달성하기 위한 강력한 방법과 POCT 키트를 개발하는 것을 목표로 합니다. 여기에서는 환경, 생물학, 식품 및 음료 샘플에서 다양한 중금속을 검출하기 위한 방법과 POCT 키트가 개발되었습니다. 샘플의 전처리 기술은 Fe, As, Cr 및 F를 정량화하기 위해 자체 개발된 광학 센서를 사용하여 채택 및 구현되었습니다. 광학 센서는 LED-LDR의 작동 원리를 기반으로 개발되었습니다. 이것이 E-Eyes 지원 POCT 키트라고 불리는 이유입니다. 이 작업에서 보고된 개발된 다중화 POCT 장치는 특히 자원이 제한된 환경에서 현장 수질 모니터링에 대한 강력한 실질적 적용 가능성을 보여줍니다. 각 검출 슬롯에는 선택적 시약과 최적화된 조건을 사용하는 특정 분석물이 있습니다. Fe2+ 검출은 0.01-5.0 mg/L의 농도 범위 내에서 효과적으로 작동하며 검출 한계(LOD)는 0.017 mg/L입니다. 디페닐 카르바지드 화학을 사용하는 Cr 채널은 10-500μg/L의 동적 범위를 커버하고 10.78μg/L의 LOD를 달성합니다. Fe-SCN 복합체 탈색 방법을 통한 불소 감지는 0.46mg/L의 LOD로 0.5-47.5mg/L의 안정적인 검출을 가능하게 합니다. 몰리브덴 블루 반응을 기반으로 비소 검출은 5μg/L의 LOD로 100-8μg/L 범위에서 효과적입니다. 모든 반응은 실온(25 ± 2°C)에서 수행되며 정교한 기기나 숙련된 인력 없이 전체 분석이 5분 이내에 완료됩니다. 이러한 기능은 방법의 적용 가능성과 WHO 수질 표준 준수를 확인합니다. 실험실에서 반응을 수행하기 전에 시간 종속 밀도 함수 이론(TD-DFT)을 채택하여 모든 분석물에 대한 특정 화학 반응(잠금 및 열쇠)을 설정했습니다. 이 TD-DFT 분석은 또한 시약의 각각의 가능한 λmax 와 반응의 주요 생성물을 예측하며, 이는 센서의 기본 백본이며 센서의 가능한 효능을 보장합니다. E-Eyes 지원 POCT 키트용 프로토타입이 개발되었으며 프로토타입은 장치로 변환되었습니다. 전체 워크플로우는 그림 1에 나와 있습니다. 이 장치는 2000개 이상의 샘플에 대해 테스트되었으며 성능은 UV-Vis, ICP-MS 및 AAS를 사용하여 얻은 결과와 비교되었습니다. 모든 경우에 장치 성능은 각각 1.25% 및 6.25%의 최소 및 최대 편차로 매우 만족스럽습니다.

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프로토콜

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1. 반응의 감지 메커니즘의 계산 및 검증

  1. 표적 분석물의 기본 화학 원리에 따라 잠금 및 키 반응을 선택합니다.
  2. Gaussian 09 프로그램을 사용하여 Becke, 3-파라미터, Lee-Yang-Parr(B3LYP) 하이브리드 방법 및 Los Alamos National Laboratory 2 Double ζ(LanL2DZ) 기저 세트14 를 사용하여 모든 계산을 수행하면 표적 분석물과 관련된 전자 계산에서 보다 정확한 결과를 얻을 수 있습니다. 여기에서는 다른 모든 분석물에 적용되는 철(Fe)에 대해서만 프로토콜에 대해 설명합니다.
  3. 용매 효과를 설명하기 위해 PCM(Polarizable Continuum) 모델과 함께 SCRF(Self-Consistent Reaction Field) 접근법을 도입합니다. 이 프로토콜에서는 물이 용매로 가정됩니다.
  4. geom=connectivity 함수를 사용하여 분자 기하학을 최적화합니다. 최적화 과정에서 명시적인 결합 정보를 유지하는 데 도움이 됩니다.
  5. 1.2 및 1.3에 언급된 단계를 사용하여 분자의 최적화된 구조를 계산하는 데 필요한 기저 상태 에너지를 계산합니다.
  6. TD-SCF(Time-Dependent Self-Consistency Field) 방법(ns=60)14에 의해 여기 상태 전자 전이를 얻습니다. 동일한 방법을 사용하여 UV 흡수 스펙트럼을 얻습니다.
  7. B3LYP 함수 및 LanL2DZ 기저 세트를 사용하여 기저 상태 DFT 계산으로 분자의 형상을 최적화합니다.
  8. 그림 2A,B와 같이 1,10-페난트롤린과 Fe2+의 최적화된 구조를 얻습니다.
  9. 유사하게, 그림 2C에 제시된 바와 같이 Fe3+를 중심 원자로 6개의 F- 원자로 둘러싸인 팔면체 구조를 갖는 육불화철산염(FeF6)의 분자 구조를 시뮬레이션합니다.
    참고: 반응, 즉 페로인 형성은 Fe2+에 특이적입니다. 그렇기 때문에 처음에는 아래 반응에 따라 Fe3+ 를 Fe2+ 로 환원해야 합니다.
    figure-protocol-1
    Fe2+ 는 1,10-페난트롤린과 빠르게 반응하여 육안으로 볼 수 있는 주황색 복합체인 페로인 을 형성합니다(아래 반응 참조). 이 반응은 그림 2와 같이 센서의 핵심입니다.

2. 비색화학 센서 개발

  1. 위의 반응에 필요한 분석 등급 화학 물질을 조달합니다.
  2. 같은 부피의 구연산삼나트륨 이수화물, 아스코르브산 및 1,10-페난트롤린을 투명한 유리 배양 튜브로 옮깁니다.
    1. 실험에서는 각 반응물 1mL를 5mL 투명 유리 배양관에 넣었다. 각 시약 1mL(아스코르브산 1mL, 구연산삼나트륨 1mL, 페난트롤린 1mL)를 첨가한 후 스톡 2mL를 첨가합니다. 5mg/L의 스톡을 첨가한 경우 최종 농도는 2mg/L(C1V1 = C2V2)이고 최종 부피는 5mL입니다.
  3. 마스킹제 역할도 하는 아스코르브산을 사용하여 반응 매질의 pH를 달성하기 위해 시약 비율을 최적화합니다. 510nm의 파장에서 최대 흡광도에서 pH 2를 달성하도록 시약을 최적화합니다.
  4. 1,10-페난트롤린도 알칼리성 환경에서 구리와 노란색 복합체를 형성하므로 구리의 간섭을 제거하기 위해 마스킹제를 사용하십시오.
    참고: 구리는 1,10-페난트롤린도 알칼리성 환경에서 구리와 노란색 복합체를 형성하므로 반응을 방해할 수 있습니다. 따라서 배지의 pH를 유지하는 것이 매우 중요합니다. 아스코르브산은 목적에 부합합니다. 그러나 pH는 시간이 지남에 따라 변할 수 있으며 1,10-페난트롤린의 질소는 이 낮은 pH에서 양성자화될 수 있습니다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 구연산삼나트륨 완충액이 사용되어 pH를 유지하고 1,10-페난트롤린의 양성자화를 방지하는 데 도움이 됩니다.
  5. FeSO 4.7H2O에서 0.05 mg/L에서 4.0 mg/L 범위의 다양한 농도로 Fe2+ 용액을 준비합니다.
  6. 그림 3A에 표시된 반응 혼합물에 이 용액 1mL를 첨가하면 Fe2+의 지표로 주황색 페로인을 얻을 수 있습니다(그림 3B).
    참고: 여기서 시약 혼합물에 원액을 첨가하는 것이 주황색을 생성하는 시각적 체크포인트입니다. 1,10-페난트롤린은 Fe2+ 에 선택적이고 Fe3+와 복합체를 형성하지 않으므로 환원제에 특별한 주의를 기울여야 합니다.
  7. 원시 샘플을 수집하고 Whatman 기공 크기 종이, 20-25μm 여과지를 사용하여 여과합니다. 필요한 경우 여과 후 희석을 수행합니다14.
    1. 사전 세척되고 산성 세척된 고밀도 폴리에틸렌 병에 환경 소스(예: 브라마푸트라 강)에서 직접 물 샘플을 수집합니다. 즉시 병에 뚜껑을 닫고 기공 크기 20-25μm의 Whatman 여과지를 사용하여 여과(2시간 이내). 스파이크된 DI 물 이외의 샘플에서 침전물과 색상을 제거하기 위해 전처리를 수행합니다(주로 환경 샘플, 보충 파일 1 참조).
  8. 현재 측정에서 황금 표준 기술로 간주되는 250-750nm의 파장 범위에서 UV-Vis 분광법을 사용하여 샘플의 철 양을 측정합니다.
    1. 경로 길이가 1cm인 석영 큐벳에 샘플을 넣습니다. 각 분석물의 피크 흡광도에 해당하는 특정 파장에서 흡광도를 세 번 측정합니다. 동일한 물이 포함된 블랭크를 사용하여 기준선 보정을 수행합니다. 결과의 일관성과 신뢰성을 보장하기 위해 표준 실험실 조건(스캔 속도: 중간, 측정 유형: 흡광도, 슬릿 폭: 5.0L, 검출기: 직접)에서 실온에서 모든 측정을 수행합니다.
      참고: UV-vis 분광법에 사용되는 Quratz 큐벳은 정확한 흡광도 측정을 보장하기 위해 광학적으로 동일하고 투명해야 합니다. 눈에 보이는 얼룩, 잔여물 또는 긁힘으로 인해 심각한 오류가 발생할 수 있으며 즉시 교체해야 합니다.
  9. 2.8단계에서 Fe2+가 발견되지 않는 경우 0.05에서 4mg/L 범위의 다양한 농도의 Fe2+로 샘플을 스파이크합니다. 2.8단계 전에 아스코르브산을 사용하여 Fe3+를 줄여 샘플의 총 철을 추정합니다.
    알림: 모든 반응은 실온에서 발생합니다. 페로인 복합체는 Fe2+를 첨가한 후 즉시 형성됩니다. 따라서 센서는 실온에서 잘 작동하며 응답 시간은 몇 초 이내에 매우 짧습니다.

3. E-Eye-Enable POCT 키트 프로토타입 설계 및 제작

  1. LDR, 백색 LED, LCD, 마이크로프로세서 마이크로컨트롤러 및 저항기를 조달합니다.
  2. 3D 프린팅 상자에 LED와 LDR을 서로 반대편에 배치합니다. 상자에는 그림 4A와 같이 잠금 및 키 반응을 통해 페로인이 형성되는 큐벳이 들어 있습니다.
    알림: 여기에 사용된 LED는 백색광을 방출합니다. 직경은 약 5mm이고 역전압은 5V입니다. 프로토타입에 사용된 LDR은 5 Ω에서 10kΩ의 감지 능력을 가지고 있습니다. 또한, 이 LDR은 여기에 사용된 LED에서 방출되는 400nm에서 700nm 범위의 파장을 효과적으로 감지합니다.
  3. 저항(3.3kΩ), 연결 전선 및 LCD(SKU: 11497) 장치와 같은 필요한 전자 하드웨어 구성 요소로 회로를 완성합니다.
  4. 위의 모든 구성 요소를 그림 4B에 표시된 전압 분배기 회로를 가로질러 마이크로프로세서와 인터페이스합니다. Arduino IDE v1.8.19를 사용하여 프로그래밍을 수행합니다. 아날로그 핀(A0-A3)을 사용하여 각 채널의 LED-LDR 기반 아날로그 신호를 읽습니다.
    알림: 마이크로프로세서는 회로의 중앙 처리 장치 역할을 합니다. 광전자 데이터 수집 시스템은 Arduino Uno(Rev3) 마이크로컨트롤러를 사용하여 구축되었습니다.
  5. 고급스럽고 정교한 전자 필터(저항 10kΩ, 정전 용량 1μF)를 수용하여 노이즈를 억제하고 장치의 기기 활력을 높여 센서의 효율성을 향상시킵니다.
  6. 설계가 완료되면 인쇄 회로 기판(PCB)을 인쇄합니다.
  7. 전자 스위치를 켜고 저항 측면에서 센서의 응답을 기록하여 회로에 전원을 공급합니다.
    1. 스위치를 켠 후 LED는 반응 챔버를 통과하는 빛을 방출합니다. LDR은 투과된 빛의 강도를 감지하고 저항을 제공합니다. 이 저항을 샘플에 존재하는 Fe2+ 의 농도와 연관시킵니다. 알려진 샘플의 이러한 상관 관계는 플롯에 대한 보정을 제공합니다. 이 보정 플롯에서 얻은 방정식을 파생 알고리즘 내에 통합합니다.
  8. 전체 회로도는 그림 4C에 나와 있습니다. 이 섹션에서 위에서 언급한 모든 단계를 완료한 후 장치를 인쇄합니다. 제작된 장치의 실제 이미지는 그림 4D에 나와 있습니다.
    참고: 회로 기판을 인쇄하면 신뢰성이 향상되고 전자 하드웨어 구성 요소의 강력한 통합이 보장됩니다.

4. 다중화 장치 개발

참고: 한 번의 샷에서 여러 분석물을 검출하려면 여러 채널이 필요합니다. 이를 위해 4개의 채널이 설치되고 프로토타입과 통합됩니다.

  1. 3D 상자에 4개의 슬롯을 만들어 4개의 큐벳을 각각의 위치에 고정합니다. 간섭을 최소화하기 위해 각 감지 슬롯을 광학 및 전자적으로 분리하고, 채널 사이의 불투명 장벽을 통해 물리적으로, 신호 중복을 방지하기 위해 별도의 LED-LDR 쌍과 개별 전압 분배기를 사용하여 전자적으로 분리합니다.
    1. 특정 분석물에 하나의 슬롯을 할당합니다. 슬롯을 교환하지 마십시오. 특정 분석물에 할당된 슬롯은 해당 분석물에 특정한 시약만 있는 큐벳을 보관해야 합니다.
  2. 3.3-3.7단계에서 언급한 프로토콜을 반복합니다. 4쌍의 LED-LDR은 모두 회로 기판에 병렬로 연결됩니다. 6개의 슬롯(6개 슬롯)에 대한 하나의 대표적인 회로도와 프로토타입 이미지가 그림 5에 나와 있습니다.
  3. 스위치를 켜서 회로에 전원을 공급합니다. 모든 LED가 켜집니다. 결과적으로 LDR은 4가지 분석물을 모두 동시에 감지합니다.
    참고: 3.7단계의 참고 사항에서 설명한 것과 동일한 원리로 작동합니다. 블랭크 저항에 유의하는 것이 중요합니다. 외부 요인에 따라 변경될 수 있는 모든 변경은 재보정이 필요합니다. 이 장치는 UV-vis 분광법을 위해 제작되었습니다. 그러나 이 작업에 사용된 광원(LED)은 400-750nm 파장을 포함합니다. 따라서 복잡한 UV 또는 근적외선 흡수는 정확한 결과를 제공하지 못할 수 있습니다. 장치는 선형 범위에서만 작동할 수 있습니다. 따라서 이 범위를 초과하거나 그 이하로 오염된 분석물은 신뢰할 수 있는 출력을 제공할 수 없습니다.

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결과

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이 원고는 다양한 샘플에서 Fe, Cr, As 및 F를 검출하는 광학 다중화 POCT 키트를 설계하고 개발하기 위한 프로토콜에 대해 설명합니다. 그림 1 은 전체 절차의 알고리즘을 보여줍니다. 비색 화학 센서는 TD-DFT 시뮬레이션 결과를 기반으로 개발되었습니다. 이 화학 센서는 자체 개발된 광학 센서와 통합되어 있습니다. 마지막 장치는 E-Eye-Enabled POCT 디지털 센서입니다. 비색계 화학 센서의 수치 최적화는 그림 2에 나와 있습니다. 센서의 성능은 페로인의 형성에 따라 달라집니다. 그림 3A에 표시된 페로인을 얻기 위해 특정 순서를 따라야 합니다. TD-DFT 결과와 실험 UV-Vis 데이터를 비교한 것은 그림 3B에 나와 있습니다. 비색 ...

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토론

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황금 표준(UV-vis)에 대한 E-Eye 지원 POCT 키트의 검증은 그림 5에 나와 있습니다. 이를 위해 Fe2+ 의 스파이크 샘플을 준비했습니다. 개발된 E-Eye POCT 키트와 UV-vis 분광 광도계로 농도를 3회 측정하였으며, 평균값이 보고되었다. 두 판독값을 비교한 결과 장치가 금본위제와 일치하는 것으로 관찰되었습니다. 결과는 자체 개발된 E-Eye-Enable POCT 키트가 물 샘플의 총 철분을 성공적으로 측정한다는 것을 증명합니다.

그림 7 은 실제 샘플을 사용한 다중화된 장치의 검증 결과를 보여줍니다. 이를 위해 철분(그림 7A)에 대한 식품 샘플(땅콩), 크롬(그림 7B

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공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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재정 지원에 대해 MeitY SWASTHA(보조금 5(1)/2022-NANO), ICMR 우수 센터(보조금 5/3/8/20/20-ITR) 및 인도 정부에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
1,10-페난트롤린 모노하이드레이트 (C12H8N2). H2O)5144-89-8시그마 올드리치, 인도
1,5-디페닐카바지드 (C13H14N4O)140-22-7시그마 올드리치, 인도
아세톤 (C3H6O)67-64-1시그마 올드리치, 인도
암모늄 몰리브데이트 사수화물((NH?)? 모? O?? · 4H? O)12054-85-2시그마 올드리치, 인도
아두이노 UNO 개발 보드SKU  A000066Robu.in
아스코르브산 (C6H8O6)50-81-7 히메디아, 인도
브레드보드SKU: 24441Robu.in
염화철(FeCL3)7705-08-0 히메디아, 인도
황산철 헵타하이드레이트 (FeSO4.7H2O)7782-63-0 히메디아, 인도
염산(HCl)7647-01-0 피나르, 인도
과산화수소(H2O2)7722-84-1 피나르, 인도
점퍼 와이어SKU: 44281Robu.in
발광 다이오드 (LED)스쿠: R110553Robu.in
빛 의존 저항기(LDR)스쿠: 1496181Robu.in
액정 디스플레이(LCD)SKU: 11497Robu.in
밀리-Q 물 (18.2  M&오메가;)그리고 nbsp;
멀티미터스쿠: 1720374Robu.in
질산 (HNO3)7697-37-2 피나르, 인도
인산염 완충 식염수 (PBS)SKU:  M1866히메디아, 인도
이크롬산칼륨 (K2Cr2O7)7778-50-9 히메디아, 인도
포텐셔미터스쿠: 790452Robu.in
저항기스쿠: R225238Robu.in
비소나트륨 헵타하이드레이트 (Na2HAsO4· 7H2O)10048-95-0 히메디아, 인도
인산나트륨 이수소나트륨(NaH2PO4)과 nbsp;13472-35-0 히메디아, 인도
불화나트륨(NaF)7681-49-4히메디아, 인도
티오시아네이트 나트륨 (NaSCN)540-72-7 히메디아, 인도
황산(H2SO4)7664-93-9 피나르, 인도
삼중나트륨 시트레이트 이하이드레이트 (Na3C6H5O7.2H2O)03-04-6132히메디아, 인도

참고문헌

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