Methodenartikel

TD-DFT Geleide geavanceerde E-Eye Sensing-techniek voor kwantificering ter plaatse van Fe, Cr, F en As in de milieu-, biologische en voedselmonsters

DOI:

10.3791/68767

⸱

19 september 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

In dit artikel

Samenvatting

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

In dit werk is het protocol besproken voor het ontwerpen en ontwikkelen van een E-Eye-Enable POCT-apparaat om Fe, Cr, As en F te detecteren in milieumonsters, biologische monsters en voedsel en dranken. Er zijn bijna 2000 monsters getest en de resultaten komen overeen met de gouden standaardtechniek.

Samenvatting

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

Dit document demonstreert het stapsgewijze protocol voor het ontwerpen en ontwikkelen van een E-Eye-enabled multiplexed point-of-care testing (POCT) kit. We gebruiken de tijdsafhankelijke dichtheidsfunctietheorie (TD-DFT) om het basiswerkingsprincipe van de sensoren te onderzoeken voordat we ingaan op de details van de hardware van het apparaat. De TD-DFT-analyse geeft de λmax van het beoogde element, wat helpt bij het vinden van de meest nauwkeurige route voor het detecteren van de verontreinigende stof in de analyten. De TD-DFT-analyse wordt uitgevoerd in Gaussian 09 en Gauss View 5.0 software. Een optische sensor, het elektronische oog (E-Eye) genaamd, is ontwikkeld op basis van de λmax-waarde en het Light Emitting Diode/Light Dependent Resistor (LED/LDR) principe. Het E-Eye-apparaat is vervaardigd met een LED, een LDR die tegenover elkaar is geplaatst en andere hardware, waaronder een liquid crystal display (LCD) dat is gekoppeld aan een microprocessor over een spanningsdeler, die fungeert als een centrale microprocessor. Aanvankelijk werden alle monsters (milieu, biologisch en voedsel en dranken) voorbewerkt om alle beoogde elementen in de waterige fase te extraheren. De specifieke reactie (slot en sleutel) is uitgevoerd in de gespecificeerde reactor en de metingen die in de display-eenheid zijn waargenomen, zijn geregistreerd. Er is ook een inheems gemultiplext apparaat gefabriceerd om Fe, Cr, As en F tegelijkertijd te detecteren. De werkzaamheid van de sensoren is getest aan de hand van meer dan 2000 monsters en vergeleken met de gouden standaardmethoden. Een goede precisie is bevestigd met een nauwkeurigheid van 95,3%, 94,7% en 95,4% met betrekking tot de monsters van milieu-, biologische en voedingsmiddelen- en dranken. Het is belangrijk op te merken dat de prestaties van de arseensensor zijn vergeleken met de resultaten van Atomic Absorption Spectrometry (AAS) en dat alle andere resultaten, dwz sensoren voor ijzer, chroom en fluoride, zijn vergeleken met de resultaten verkregen uit UV-VIS-analyse.

Inleiding

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

Zware metalen spelen een belangrijke rol bij het in stand houden van het ecosysteem van de aarde, dat essentieel is voor de mens1. Integendeel, de industriële groei en het omgaan met natuurlijke hulpbronnen in het recente tijdperk hebben ertoe geleid dat zware metalen een verontreiniging zijn geworden voor de voedselketen en andere essentiële goederen van levende wezens, wat een ernstig alarm is voor de moderne beschaving. Het is te wijten aan hun bioaccumulatie in levende en niet-levende lichamen en de aard van niet-afbreekbaarheid2. In dit opzicht heeft de Amerikaanse regering de voedselkwaliteit, inclusief babyvoeding, lange tijd continu geëvalueerd om de voedselkwaliteit te controleren. In totaal analyseerden ze meer dan 22 elementen en meer dan 3200 monsters in hun land3.

In veel gevallen overschreden de niveaus van zware metalen de drempelwaarde die wordt aanbevolen door de WHO en de Amerikaanse Food and Drug Administration, en het Total Diet Study Report (TDS), juli 2022. Een soortgelijke conclusie kan worden getrokken met betrekking tot de waterlichamen en bodems in Europa 4,5. Naast bodem en water brengt de sterke aanwezigheid van zware metalen het leven in gevaar 6,7. Het is belangrijk op te merken dat India een land is dat op rivieren is gebaseerd, en uit een recent onderzoek blijkt dat meer dan 43% van de rivieren een alarmerend niveau van veel zware metalen en andere verontreinigende stoffen heeft 8,9. In dit programma8 werd geaccepteerd dat de bloedloodspiegels bij meer dan 27.5 crore kinderen meer dan 5 μg/dL zijn, wat als onveilig wordt beschouwd.

De bovenstaande discussies beschrijven de noodzaak van continue monitoring van zware metalen en andere gevaarlijke chemicaliën voor het welzijn van de mondiale samenleving. Er zijn verschillende technieken voor het detecteren en meten van concentraties van zware metalen, zoals UV-Vis-spectroscopie, AAS, Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES) en Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (ICP-MS), enz. (US Food and Drug Administration, Total Diet Study Report (TDS), juli 2022)3. De noodzaak van hoogwaardige apparatuur en geschoolde arbeidskrachten beperkt deze methoden voor snelle en on-site detectie van zware metalen. De situatie die in de bovenstaande paragraaf wordt besproken, vereist een gebruiksvriendelijke, snelle en nauwkeurige on-site detectiekit voor zware metalen, die kan helpen om de kwaliteit van bodem, lucht en water te bewaken.

Er zijn veel pogingen gedaan om de eerder genoemde on-site detectiekits 10,11 voor zware metalen te ontwikkelen. Sommigen van hen 12,13,14,15 zijn succesvol geweest en sommige 13 hebben niet voldaan aan de vereisten van de aanbevelingen van de WHO. Een paar daarvan zijn digitale sensoren, die de digitale waarden van de concentraties van de analytenweergeven 16,17,18. De rest zijn kwalitatieve sensoren zoals op papier gebaseerde microfluïdische sensoren die worden gebruikt voor de zwangerschapstest, die de aan- en afwezigheid van de beoogde verontreinigende stoffen in de steekproef kunnenmarkeren 19. Er zijn verschillende kits van verschillende merken, merken en modellen in de handel verkrijgbaar op de markt, die routinematig kunnen worden ingezet om de aanwezigheid van zware metalen in water en andere monsters te testen. Deze kits worden over het algemeen beoordeeld op basis van belangrijke prestatie-indicatoren zoals detectiebereik, kosten per monster, gevoeligheid, operationele betrouwbaarheid en de vereiste technische vaardigheden. Voor de detectie van chroom bieden de meeste commerciële kits bijvoorbeeld detectiebereiken tot 1 mg/L en enkele tot 10 mg/L (Chemetrics20), maar hun detectielimieten (LOD's) en minste tellingen liggen doorgaans boven de door de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) aanbevolen drempel voor veilig drinkwater. De HACH21-kit (5-100) en (50-1000) mg/L bijvoorbeeld, bestrijkt weliswaar een breed bereik, maar vertoont een slechte gevoeligheid bij lage concentraties (minste telling ≥5 mg/L) en kost figure-introduction-1125,95 per monster, wat experimentele basisvaardigheden en visuele interpretatie van kleurverandering vereist. De Hanna Hi384622 en Himedia23 kits, hoewel betaalbaarder (figure-introduction-2respectievelijk 51,00 en figure-introduction-3375,00 per monster), vertonen ook een beperkte gevoeligheid, met de minste telling van de Hanna-kit op 0,2 mg/L. Merck24 en Chemetrics20 kits maken gebruik van digitale uitlezingen en bestrijken een gemiddeld tot hoog detectiebereik (2-10 mg/L). Toch zijn hun kosten per steekproef aanzienlijk hoger (tot figure-introduction-4823,20) en blijft hun gevoeligheid suboptimaal voor naleving van de regelgeving. De BARC-kit25 is weliswaar gebruiksvriendelijk en geschikt voor snelle categorisering van waterveiligheid in het veld, maar heeft ook te kampen met een relatief hoge detectielimiet (≥0,05 mg/L) en kwalitatieve, in plaats van kwantitatieve, output.

Evenzo behoren voor fluoridedetectie de in de handel verkrijgbare kits zoals Aquasol AE21026 (0,1-2 mg/L en 120 mg/L) en Himedia27 (0-2,5 mg/L) kits tot de meest betaalbare met figure-introduction-5respectievelijk 6 en figure-introduction-611,60 per monster, maar vertrouwen ze op visuele colorimetrie met niet-gespecificeerde gevoeligheidslimieten en de tijd die nodig is om het monster te analyseren. Mid-range opties zijn onder meer de Merck Colourimetric28 (detectiebereik 0-0,8 mg/L, figure-introduction-7292,20 per monster) en Photometric29 kits (detectiebereik 0,1-2,5 mg/L, figure-introduction-8456 per monster), waarbij de laatste digitale uitlezingen biedt tegen hogere kosten. Weinig geavanceerde systemen zoals de Hanna Hi73930 (detectiebereik 20-20 mg/L, figure-introduction-9362 per monster) en Prerana Laboratories31 (figure-introduction-10150 per monster) tonen compromissen aan tussen detectietijd (≥1 minuut voor Hanna versus 10-30 minuten voor Prerana) en analytische precisie, hoewel beide geen expliciete gevoeligheidsspecificaties hebben. Bestaande kits geven prioriteit aan betaalbaarheid met verminderde gevoeligheid of verbeterde precisie tegen hoge kosten, waarbij de detectielimieten in het middenbereik tot 20 mg/L in het gedrang komen.

In de handel verkrijgbare ijzerdetectiekits vertonen gevarieerde prestatiekenmerken, met aanzienlijke compromissen tussen gevoeligheid, kosten en operationele complexiteit. De AE30332 biedt een detectiebereik van 0-2 mg/L bij figure-introduction-1114 per monster, waarbij gebruik wordt gemaakt van een visuele colorimetrische techniek. Evenzo dekt een andere dergelijke kit voor ijzerdetectie, de HI383433, 0-5 mg/L (figure-introduction-1252 per monster) met een minste telling van 1 mg/L en een detectietijd van ≥ 4 min, waarvoor de mogelijkheid nodig is om basisexperimenten uit te voeren. De Insa tech34 is geschikt voor de toepassing van detectie met hoge concentraties in het bereik van 50-800 mg/L, hoewel de hoge kosten en gevoeligheid (≥50 mg/L) met een detectietijd van 75 minuten de toepassing voor algemene doeleinden beperken. De Prerana Laboratories kit35 (detectiebereik van 0-1 mg/l, figure-introduction-1328 per monster) verbetert de detectie van lage concentraties (gevoeligheid van 0,1 mg/l), maar heeft een analysetijd van 30 minuten. De teststrips36 van Hach (detectiebereik van 0-5 mg/l, niet-gespecificeerde kosten) bereiken een minste telling van 0,15 mg/l, maar zijn gebaseerd op subjectieve kleurinterpretatie.

Commerciële arseendetectiekits vertonen een aanzienlijke variabiliteit in analytische prestaties, kosten en operationele complexiteit. De BARC-veldkit37 (0-0,01 mg/L, figure-introduction-145-10 per monster) maakt gebruik van een niet-toxisch reagens en colorimetrische analyse van 10 minuten, die landelijke toegankelijkheid biedt, maar vertrouwt op subjectieve visuele vergelijking. De AE40838 (0-0,1 mg/L/0-3 mg/L, figure-introduction-1577,40 per monster) geeft prioriteit aan draagbaarheid en APHA-naleving, hoewel de gevoeligheid niet gespecificeerd is. Een hogere gevoeligheid wordt bereikt door de Lovibond-kit39 (0-0,5 mg/L, figure-introduction-16500 per monster, die arseen detecteert bij 5 μg/L, die voldoet aan de WHO-richtlijnen, via een veilig, sulfide-interferentiebestendig protocol. Premium-systemen zoals de Cole-Parmer ITS-kit40 (detectielimiet van 2 μg/L, figure-introduction-17480 per monster) en Palintest Visual Kit41 (200 tests/£ 560, ~figure-introduction-18280 per monster) bieden verbeterde precisie met EPA-verificatie of drievoudige filtersystemen, maar brengen hoge kosten met zich mee.

In de handel verkrijgbare detectiekits voor chroom, fluoride, ijzer en arseen vertonen kritieke beperkingen op het gebied van gevoeligheid, kosten en operationele betrouwbaarheid die hun bruikbaarheid in veldomgevingen belemmeren. Voor chroom werken commerciële kits zoals HACH (minste telling ≥5 mg/L) en Hanna Hi3846 (≥0,2 mg/L) boven de WHO-limiet (0,05 mg/L), met kosten variërend van figure-introduction-1951-823 per test en vertrouwen op foutgevoelige visuele interpretatie. Evenzo geven fluoridekits zoals AE210 (resolutie van 0,1 mg/L) en fotometrisch (figure-introduction-20456 per monster) prioriteit aan betaalbaarheid of precisie, maar missen ze snelle, sub-WHO-conforme detectie. IJzerdetectie heeft te lijden onder hoge minste tellingen (HI3834: 1 mg/L; strips: 0,15 mg/L) en langere analysetijden (Prerana: 30 min), terwijl arseenkits zoals BARC (10 μg/L LOD) en Lovibond (5 μg/L) te maken hebben met betrouwbaarheidskloven van minder dan 70 μg/L en hoge kosten (tot figure-introduction-21 500/test). Het voorgestelde apparaat met meerdere analyten pakt deze lacunes aan door middel van aanzienlijke transformatieve verbeteringen op het gebied van ultragevoelige detectie, kosteneffectiviteit, gebruiksvriendelijkheid en snelle en on-site analyse. Door de afweging tussen gevoeligheid en kosten te overbruggen en robuuste prestaties te leveren in complexe matrices, lost dit apparaat langdurige lacunes in de literatuur en lacunes op in veldtoepasbare monitoring van de waterkwaliteit, met name in regio's met weinig middelen waar betaalbaarheid, precisie en gebruiksgemak van het grootste belang zijn. Het vermogen om compliance te detecteren met digitale point-of-care-functionaliteit vertegenwoordigt een paradigmaverschuiving in milieu- en gezondheidszorganalyses, waarbij de beperkingen van gefragmenteerde, analytspecifieke commerciële oplossingen worden overwonnen.

In het huidige scenario vraagt de samenleving om een sensor om de werkelijke concentratie van de verschillende verontreinigende stoffen uit te zenden. De bestaande werk- en point-of-care testkits (POCT) voldoen aan deze eis. Er is dus behoefte aan een robuuste POCT-kit met prestaties die vergelijkbaar zijn met die van hoogwaardige apparatuur zoals UV-Vis, AAS of ICP-MS, enz., die in staat is om meerdere verontreinigende stoffen te detecteren. Het huidige werk is gericht op het ontwikkelen van een robuuste methode en POCT-kits om het doel te dienen. Hier zijn een methode en een POCT-kit ontwikkeld voor het detecteren van verschillende zware metalen in milieu-, biologische en voedsel- en drankmonsters. De voorbewerkingstechniek van de monsters werd toegepast en geïmplementeerd met behulp van de in eigen land ontwikkelde optische sensor om Fe, As, Cr en F te kwantificeren. De optische sensor is ontwikkeld op basis van het werkingsprincipe van LED-LDR; daarom wordt het de E-Eyes-enabled POCT-kit genoemd. Het ontwikkelde gemultiplexte POCT-apparaat dat in dit werk wordt gerapporteerd, toont een sterke praktische toepasbaarheid aan voor het ter plaatse monitoren van de waterkwaliteit, met name in omgevingen met beperkte middelen. Elke detectiesleuf heeft een specifieke analyt met behulp van selectieve reagentia en geoptimaliseerde omstandigheden. De Fe2+ detectie werkt effectief binnen het concentratiebereik van 0,01-5,0 mg/L, met een detectielimiet (LOD) van 0,017 mg/L. Het Cr-kanaal, dat gebruikmaakt van difenylcarbazidechemie, bestrijkt een dynamisch bereik van 10-500 μg/L en bereikt een LOD van 10,78 μg/L. Fluoridedetectie via de Fe-SCN-complexe kleuringsmethode maakt betrouwbare detectie mogelijk van 0,5-47,5 mg/L, met een LOD van 0,46 mg/L. Op basis van de molybdeenblauwreactie is arseendetectie effectief over een bereik van 5-100 μg/L met een LOD van 8 μg/L. Alle reacties worden uitgevoerd bij kamertemperatuur (25 ± 2 °C) en de volledige test wordt in minder dan 5 minuten voltooid zonder dat geavanceerde instrumenten of geschoold personeel nodig zijn. Deze kenmerken bevestigen de toepasbaarheid van de methode en de naleving van de waterkwaliteitsnormen van de WHO. Voordat de reactie in het laboratorium werd uitgevoerd, werd de tijdsafhankelijke dichtheidsfunctietheorie (TD-DFT) toegepast om de specifieke chemische reacties (slot en sleutel) voor elke analyt vast te stellen. Deze TD-DFT-analyse voorspelt ook de respectieve waarschijnlijke λmax van het reagens en het hoofdproduct van de reactie, dat de fundamentele ruggengraat van de sensor vormt en de waarschijnlijke werkzaamheid van de sensor garandeert. Er is een prototype ontwikkeld voor de POCT-kit met E-Eyes en het prototype is vertaald naar een apparaat. De hele workflow is weergegeven in Figuur 1. Het apparaat is getest tegen meer dan 2000 monsters en de prestaties zijn vergeleken met de resultaten die zijn verkregen met UV-Vis, ICP-MS en AAS. In alle gevallen zijn de prestaties van het apparaat zeer bevredigend met minimale en maximale afwijkingen van respectievelijk 1,25% en 6,25%.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Berekening en validatie van het detectiemechanisme van de reactie

  1. Selecteer de slot- en sleutelreactie op basis van het basischemieprincipe van de beoogde analyt.
  2. Gebruik het Gaussian 09-programma om alle berekeningen uit te voeren met behulp van de Becke, 3-parameter, Lee-Yang-Parr (B3LYP) hybride methode en de Los Alamos National Laboratory 2 Double ζ (LanL2DZ) basisset14 om nauwkeurigere resultaten te verkrijgen in elektronische berekeningen met de beoogde analyt. Hier wordt het protocol alleen besproken voor ijzer (Fe), dat van toepassing is op alle andere analyten.
  3. Introduceer de zelfconsistente reactieveldbenadering (SCRF) met het polariseerbare continuüm (PCM)-model om rekening te houden met het oplosmiddeleffect. In dit protocol wordt aangenomen dat water een oplosmiddel is.
  4. Optimaliseer de moleculaire geometrie met behulp van de geom=connectiviteitsfunctie. Het helpt om expliciete bindingsinformatie te behouden tijdens het optimalisatieproces.
  5. Bereken de energie in de grondtoestand die nodig is om de geoptimaliseerde structuur van het molecuul te berekenen, met behulp van de stappen vermeld in 1.2 en 1.3.
  6. Verkrijg de elektronische overgang in geëxciteerde toestand met behulp van de Time-Dependent Self-Consistent Field (TD-SCF)-methode (ns=60)14. Gebruik dezelfde methode om de UV-absorptiespectra te verkrijgen.
  7. Optimaliseer de geometrie van het molecuul door DFT-berekeningen in de grondtoestand met behulp van de B3LYP functionele en LanL2DZ-basisset.
  8. Krijg de geoptimaliseerde structuur van 1,10-fenanthroline en Fe2+ zoals weergegeven in figuur 2A,B.
  9. Simuleer op dezelfde manier de molecuulstructuur van hexafluoroferaat (FeF6), die een octaëdrische structuur heeft met Fe3+ als het centrale atoom omgeven door 6 F-atomen , zoals weergegeven in figuur 2C.
    OPMERKING: De reactie, d.w.z. de vorming van ferroïne, is specifiek voor Fe2+. Dat is de reden waarom Fe3+ in eerste instantie moet worden teruggebracht tot Fe2+ volgens de onderstaande reactie.
    figure-protocol-1
    Het Fe2+ reageert snel met 1,10-fenanthroline en vormt ferroïne, een oranjekleurig complex dat met het blote oog zichtbaar is (zie de reactie hieronder). Deze reactie is het hart van de sensor, zoals te zien is in figuur 2.

2. Ontwikkeling van een colorimetrische chemische sensor

  1. Koop de chemicaliën van analytische kwaliteit die nodig zijn voor de bovenstaande reactie.
  2. Breng gelijke hoeveelheden trinatriumcitraatdihydraat, ascorbinezuur en 1,10-fenanthroline over in een doorzichtige glazen kweekbuis.
    1. In het experiment werd 1 ml van elke reactant in een transparante glazen kweekbuis van 5 ml gebracht. Na toevoeging van 1 ml van elk reagens (1 ml ascorbinezuur, 1 ml trinatriumcitraat en 1 ml fenanthroline), voeg je 2 ml bouillon toe. Als er 5 mg/L bouillon is toegevoegd, is de uiteindelijke concentratie 2 mg/L (C1V1 = C2V2) en is het uiteindelijke volume 5 ml.
  3. Optimaliseer de verhouding van de reagentia om de pH van het reactiemedium te bereiken met behulp van ascorbinezuur, dat ook als maskeringsmiddel fungeert. Optimaliseer de reagentia om een pH van 2 te bereiken bij maximale absorptie bij een golflengte van 510 nm.
  4. Gebruik een maskeermiddel om interferentie van koper te elimineren, aangezien 1,10-fenanthroline ook een geelgekleurd complex vormt met koper in een alkalische omgeving.
    OPMERKING: Koper kan de reactie verstoren, aangezien 1,10-fenanthroline ook een geelgekleurd complex vormt met koper in een alkalische omgeving. Het handhaven van de pH van het medium is dus erg cruciaal. Ascorbinezuur dient het doel. De pH kan echter in de loop van de tijd veranderen en stikstof van 1,10-fenanthroline kan bij deze lage pH worden geprotoneerd. Om deze moeilijkheden te overwinnen, wordt trinatriumcitraatbuffer gebruikt, die helpt om de pH op peil te houden en de protonering van 1,10-fenanthroline te voorkomen.
  5. Bereid de oplossingen van Fe2+ met verschillende concentraties, variërend van 0,05 mg/L tot 4,0 mg/L van FeSO 4,7H 2O.
  6. Voeg 1 ml van deze oplossing toe aan het reactiemengsel zoals afgebeeld in figuur 3A, wat oranjegekleurd ferroïne geeft als indicator voor het Fe2+ (figuur 3B).
    OPMERKING: Hier is het toevoegen van de voorraadoplossing aan het reagensmengsel het visuele controlepunt, dat de oranje kleur produceert. Bijzondere aandacht moet worden besteed aan reductiemiddelen, aangezien 1,10-fenanthroline selectief is voor Fe2+ en geen complex vormt met Fe3+.
  7. Verzamel de onbewerkte monsters en filtreer met behulp van een Whatman-papier ter grootte van een porie, 20-25 μm filterpapier. Doe de verdunning na de filtratie indien nodig14.
    1. Verzamel watermonsters rechtstreeks uit de milieubronnen (bijv. de Brahmaputra-rivier) in voorgereinigde, met zuur gewassen polyethyleenflessen met hoge dichtheid. Sluit de flesjes direct af en filtreer (binnen 2 uur) met een Whatman filterpapier met een poriegrootte van 20-25 μm. Voer een voorbehandeling uit om de sedimenten en kleur van de monsters te verwijderen, behalve verrijkt DI-water (voornamelijk milieumonsters; zie aanvullend bestand 1).
  8. Meet de hoeveelheid ijzer in de monsters met behulp van UV-Vis-spectroscopie in een golflengtebereik van 250-750 nm, wat wordt beschouwd als de gouden standaardtechniek in de huidige meting.
    1. Plaats de monsters in kwartscuvetten met een weglengte van 1 cm. Voer de extinctiemetingen uit bij specifieke golflengten die overeenkomen met de piekabsorptie van elke analyt in drievoud. Voer een basislijncorrectie uit met behulp van een lege ruimte met hetzelfde water. Voer alle metingen uit bij kamertemperatuur onder standaard laboratoriumomstandigheden (scansnelheid: gemiddeld, meettype: absorptievermogen, spleetbreedte: 5,0 l, detectoren: direct) om consistentie en betrouwbaarheid van de resultaten te garanderen.
      OPMERKING: Quratz-cuvetten die worden gebruikt voor UV-visspectroscopie moeten optisch hetzelfde en helder zijn om nauwkeurige absorptiemetingen te garanderen. Zichtbare vlekken, resten of krassen kunnen aanzienlijke fouten veroorzaken en onmiddellijke vervanging rechtvaardigen.
  9. Prik de monsters met Fe2+ in verschillende concentraties variërend van 0,05 tot 4 mg/L, als Fe2+ niet wordt gevonden in stap 2.8. Verminder Fe3+ met ascorbinezuur vóór stap 2.8 om het totale ijzergehalte in de monsters te schatten.
    OPMERKING: Alle reacties vinden plaats bij kamertemperatuur. Het ferroïnecomplex wordt onmiddellijk gevormd na toevoeging van Fe2+. Daarom werkt de sensor prima bij kamertemperatuur en is de reactietijd erg kort, binnen enkele seconden.

3. Ontwerp en fabricage van het prototype van de E-Eye-Enable POCT-kit

  1. Schaf LDR, een witte LED, een LCD, een microprocessormicrocontroller en weerstanden aan.
  2. Plaats een LED en een LDR tegenover elkaar over een 3D-geprinte doos. De doos bevat een cuvet waarin ferroïne wordt gevormd door de slot- en sleutelreactie, zoals aangegeven in figuur 4A.
    OPMERKING: De LED die hier wordt gebruikt, straalt wit licht uit; de diameter is ongeveer 5 mm en de sperspanning is 5 V. De LDR die in het prototype wordt gebruikt, heeft een detectievermogen van 5 Ω tot 10 kΩ. Bovendien detecteert deze LDR effectief de golflengte van 400 tot 700 nm die wordt uitgezonden door de hier gebruikte LED.
  3. Maak het circuit compleet met de benodigde elektronische hardwarecomponenten: weerstanden (3,3 kΩ), aansluitdraden en een LCD-eenheid (SKU: 11497).
  4. Koppel alle bovenstaande componenten aan een microprocessor over een spanningsdelercircuit zoals weergegeven in figuur 4B. Voer programmering uit met behulp van de Arduino IDE v1.8.19. Lees het op LED LDR gebaseerde analoge signaal van elk kanaal met behulp van analoge pinnen (A0-A3).
    OPMERKING: De microprocessor fungeert als de centrale verwerkingseenheid van het circuit. Het opto-elektronische data-acquisitiesysteem is gebouwd met behulp van een Arduino Uno (Rev3) microcontroller.
  5. Beschik over de geavanceerde en geavanceerde elektronische filters (weerstand 10 kΩ, capaciteit 1 μF) om de efficiëntie van de sensor te verbeteren door de ruis te onderdrukken en de instrumentale kracht van het apparaat te vergroten.
  6. Druk de printplaat (PCB) af als het ontwerp compleet is.
  7. Voorzie het circuit van stroom door de elektronische schakelaar aan te zetten en de reactie van de sensor in termen van weerstand te registreren.
    1. Na het inschakelen van de schakelaar straalt de LED licht uit, dat door de reactiekamer gaat. De LDR detecteert de intensiteit van het doorgelaten licht en geeft een weerstand. Correleer deze weerstand met de concentratie Fe2+ die in het monster aanwezig is. Deze correlatie van de bekende monsters levert een kalibratie voor de grafiek op. Neem de vergelijking die uit deze kalibratiegrafiek is verkregen op in het afgeleide algoritme.
  8. Het volledige schakelschema is weergegeven in figuur 4C. Druk het apparaat af na het voltooien van alle bovenstaande stappen in dit gedeelte. De werkelijke afbeelding van het gefabriceerde apparaat wordt weergegeven in figuur 4D.
    OPMERKING: Het printen van de printplaat verbetert de betrouwbaarheid en garandeert een robuuste integratie van de elektronische hardwarecomponenten.

4. Ontwikkeling van een gemultiplext apparaat

OPMERKING: Er zijn meerdere kanalen nodig om meerdere analyten in één opname te detecteren. Hiervoor zijn vier kanalen geïnstalleerd en geïntegreerd met het prototype.

  1. Creëer vier sleuven in de 3D-doos om de vier cuvetten in hun respectievelijke posities te houden. Isoleer elke detectiesleuf optisch en elektronisch om interferentie te minimaliseren, fysiek door ondoorzichtige barrières tussen kanalen, en elektronisch door afzonderlijke LED-LDR-paren en individuele spanningsdelers te gebruiken om signaaloverlapping te voorkomen.
    1. Wijs een slot toe aan een bepaalde analyt; Verwissel de sleuven niet. De sleuf die aan een bepaalde analyt is toegewezen, moet de cuvet bevatten die alleen reagentia bevat die specifiek zijn voor die analyt.
  2. Herhaal de protocollen genoemd in stap 3.3 tot en met 3.7. Alle vier de paren LED-LDR zijn parallel aan de printplaat aangesloten. Een representatief schakelschema en een afbeelding van het prototype voor zes van dergelijke slots (6 slots) worden getoond in figuur 5.
  3. Zet de schakelaar aan om het circuit van stroom te voorzien. Alle LED's branden; bijgevolg detecteren de LDR's alle vier de analyten tegelijkertijd.
    OPMERKING: Het werkt volgens hetzelfde principe als besproken in de notitie onder stap 3.7. Het is essentieel om de blancoweerstand op te merken; Elke wijziging die onderhevig is aan externe factoren rechtvaardigt een herkalibratie. Het apparaat is gefabriceerd voor UV-vis spectroscopie. De optische bron (LED) die in dit werk wordt gebruikt, omvat echter een golflengte van 400-750 nm. Daarom is het mogelijk dat een complexe UV- of nabij-infraroodabsorptie geen nauwkeurige resultaten geeft. Het apparaat kan alleen in zijn lineaire bereik werken. Daarom kan een analyt die boven of onder dit bereik is verontreinigd, geen betrouwbare output leveren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Dit manuscript bespreekt het protocol voor het ontwerpen en ontwikkelen van een optische gemultiplexte POCT-kit, die Fe, Cr, As en F in verschillende monsters detecteert. Figuur 1 toont de algoritmen van de hele procedure. De colorimetrische chemische sensor is ontwikkeld op basis van de resultaten van de TD-DFT-simulatie. Deze chemische sensor is geïntegreerd met een in eigen land ontwikkelde optische sensor. Het uiteindelijke apparaat is een E-Eye-Enabled ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De validatie van de E-Eye-enabled POCT-kit tegen de gouden standaard (UV-vis) wordt weergegeven in figuur 5. Voor dit doel werden puntige monsters van Fe2+ voorbereid. De concentratie werd in drievoud gemeten met de ontwikkelde E-Eye POCT-kit en de UV-vis-spectrofotometer, en de gemiddelde waarde is gerapporteerd. Beide metingen werden vergeleken en er werd waargenomen dat het apparaat in overeenstemming is met de gouden standaard. De resultaten b...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

We danken MeitY SWASTHA (Grant 5 (1)/2022-NANO), ICMR Center for Excellence (Grant 5/3/8/20/2019-ITR) en de regering van India voor financiële hulp.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1,10-phenanthroline monohydrate (C12H8N2.H2O)5144-89-8Sigma Aldrich, India
1,5-diphenylcarbazide ( C13H14N4O)140-22-7Sigma Aldrich, India
Acetone (C3H6O)67-64-1Sigma Aldrich, India
Ammonium molybdate tetrahydrate ((NH?)?Mo?O??·4H?O)12054-85-2Sigma Aldrich, India
Arduino UNO ontwikkelingsbordSKU A000066Robu.in
Ascorbic acid (C6H8O6)50-81-7 Himedia, India
BreadboardSKU: 24441Robu.in
Ferric chloride (FeCL3)7705-08-0 Himedia, India
Ferrous sulphate heptahydrate (FeSO4.7H2O)7782-63-0 Himedia, India
Hydrochloric acid (HCl)7647-01-0 Finar, India
Hydrogen peroxide (H2O2)7722-84-1 Finar, India
Jumper wiresSKU: 44281Robu.in
Light emitting diode (LED)SKU: R110553Robu.in
Light-dependent resistor (LDR)SKU: 1496181Robu.in
Liquid crystal display (LCD)SKU: 11497Robu.in
Milli-Q water (18.2  MΩ) 
MultimeterSKU: 1720374Robu.in
Nitric acid (HNO3)7697-37-2 Finar, India
Phosphate Buffer Saline (PBS)SKU: M1866Himedia, India
Potassium dichromate (K2Cr2O7)7778-50-9 Himedia, India
PotentiometerSKU: 790452Robu.in
ResistorsSKU: R225238Robu.in
Sodium arsenate heptahydrate (Na2HAsO4·7H2O)10048-95-0 Himedia, India
Sodium dihydrogen phosphate (NaH2PO4) 13472-35-0 Himedia, India
Sodium fluoride (NaF)7681-49-4Himedia, India
Sodium thiocyanate (NaSCN)540-72-7 Himedia, India
Sulfuric acid (H2SO4)7664-93-9 Finar, India
Trisodium citrate dihydrate (Na3C6H5O7.2H2O)03-04-6132Himedia, India

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

TD DFT analyseE Eye sensorpoint of care testenoptische sensorgemultiplexte detectieanalyse van milieuproevenUV Vis spectroscopieijzerkwantificeringarsenicumdetectielichtgevoelige weerstand

Gerelateerde artikelen