Artykuł metodologiczny

TD-DFT Guided Advanced E-Eye Sensing Technique do kwantyfikacji na miejscu Fe, Cr, F oraz As w próbkach środowiskowych, biologicznych i spożywczych

DOI:

10.3791/68767

⸱

19 września 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

W niniejszej pracy omawiano protokół projektowania i opracowania urządzenia E-Eye-Enable POCT do wykrywania Fe, Cr, As i F w próbkach środowiskowych, próbkach biologicznych oraz żywności i napojach. Przetestowano prawie 2000 próbek, a wyniki odpowiadają standardowej technice.

Streszczenie

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

Niniejszy artykuł demonstruje krok po kroku protokół projektowania i rozwijania zestawu do multipleksowanego testowania w miejscu opieki (POCT) z pomocą E-Eye. Stosujemy teorię funkcji gęstości zależnej od czasu (TD-DFT), aby zbadać podstawową zasadę działania czujników, zanim przejdziemy do szczegółów sprzętu urządzenia. Analiza TD-DFT podajeλ maks celowanego pierwiastka, co pomaga znaleźć najdokładniejszą drogę wykrywania zanieczyszczeń w analitach. Analiza TD-DFT jest przeprowadzana w oprogramowaniu Gaussian 09 oraz Gauss View 5.0. Opracowano sensor optyczny zwany okiem elektronicznym (E-Eye), oparty na wartościλ max oraz zasadzie LED diod/rezystora zależnego od światła (LED/LDR). Urządzenie E-Eye zostało wykonane z diody LED, LDR-a umieszczonego naprzeciwko siebie oraz innego sprzętu, w tym wyświetlacza ciekłokrystalicznego (LCD) połączonego z mikroprocesorem przez dzielnik napięcia, działającego jako centralny mikroprocesor. Początkowo wszystkie próbki (środowiskowe, biologiczne oraz żywnościowe i napojowe) były wstępnie przetwarzane, aby wyekstrahować wszystkie wybrane pierwiastki w fazie wodnej. Specyficzna reakcja (blokada i klucz) została przeprowadzona w określonym reaktorze, a odczyty zaobserwowane w jednostce wyświetlającej zostały zarejestrowane. Wykonano także rodzimo multipleksowane urządzenie, które jednocześnie wykrywa Fe, Cr, As i F. Skuteczność czujników została przetestowana na ponad 2000 próbkach i porównana z metodami złotego standardu. Potwierdzono dobrą precyzję z dokładnością 95,3%, 94,7% i 95,4% w odniesieniu do próbek środowiskowych, biologicznych oraz żywności i napojów. Warto zauważyć, że wydajność czujnika arsenu została porównana z wynikami spektrometrii absorpcji atomowej (AAS), a wszystkie pozostałe wyniki, tj. czujniki żelaza, chromu i fluoru, porównano z wynikami uzyskanymi z analizy UV-Vis.

Wprowadzenie

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

Metale ciężkie odgrywają istotną rolę w utrzymaniu ekosystemu Ziemi, co jest niezbędne dla człowieka1. Wręcz przeciwnie, rozwój przemysłowy i manipulacja zasobami naturalnymi w ostatnich latach sprawiły, że metale ciężkie stały się zanieczyszczeniem łańcucha pokarmowego i innych niezbędnych towarów istot żywych, co jest poważnym alarmem dla współczesnej cywilizacji. Wynika to z ich bioakumulacji w ciałach żywych i nieożywionych oraz z natury nierozkładalności2. W tym zakresie rząd USA od dawna nieustannie ocenia jakość żywności, w tym produkty dla niemowląt, aby monitorować jakość żywności. Łącznie przeanalizowali ponad 22 pierwiastki i ponad 3200 próbekw całym kraju.

W wielu przypadkach poziomy metali ciężkich przekraczały próg zalecany przez WHO oraz amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków oraz w Raportie z całkowitego badania diety (TDS), lipiec 2022. Podobny wniosek można wyciągnąć w odniesieniu do europejskich zbiorników wodnych i gleb 4,5. Oprócz gleby i wody, silna obecność metali ciężkich zagraża życiu 6,7. Ważne jest, aby zauważyć, że Indie są krajem opartym na rzekach, a niedawne badanie pokazuje, że ponad 43% rzek ma alarmujący poziom wielu metali ciężkich i innych zanieczyszczeń 8,9. W tym programie8 uznano, że poziom ołowiu we krwi u ponad 27,5 crore dzieci przekracza 5 μg/dL, co jest uznawane za niebezpieczne.

Powyższe dyskusje opisują potrzebę ciągłego monitorowania metali ciężkich i innych niebezpiecznych chemikaliów dla dobrobytu społeczeństwa globalnego. Istnieją różne techniki wykrywania i pomiaru stężenia metali ciężkich, takie jak spektroskopia UV-Vis, AAS, spektroskopia emisyjna z indukcyjnym sprzężeniem plazmowym (ICP-AES) oraz spektrometria mas indukcyjnie sprzężonej plazmy (ICP-MS) itd. (Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków, Total Diet Study Report (TDS), lipiec 2022)3. Konieczność wyposażenia wysokiej klasy i wykwalifikowanej siły roboczej ogranicza te metody szybkiego i bezpośredniego wykrywania metali ciężkich. Sytuacja omówiona w powyższym akapicie wymaga przyjaznego, szybkiego i dokładnego zestawu wykrywania metali ciężkich na miejscu, który może pomóc monitorować jakość gleby, powietrza i wody.

Podjęto wiele prób opracowania wspomnianych zestawów wykrywania na miejscu10,11 dla metali ciężkich. Niektóre z nich:12, 13, 14, 15 zakończyły się sukcesem, aokoło 13 nie spełniło wymagań zaleceń WHO. Kilka z nich to cyfrowe czujniki, które wyświetlają cyfrowe wartości stężeń analitów16, 17, 18. Pozostałe to czujniki jakościowe, takie jak papierowe czujniki mikrofluidyczne używane w teście ciążowym, które mogą oznaczać obecność i brak docelowych zanieczyszczeń w próbce19. Na rynku dostępnych jest kilka zestawów różnych marek, marek i modeli, które można rutynowo stosować do testowania obecności metali ciężkich w wodzie i innych próbkach. Zestawy te są zazwyczaj oceniane na podstawie kluczowych wskaźników wydajności, takich jak zasięg wykrywania, koszt próbki, czułość, niezawodność operacyjna oraz wymagane umiejętności techniczne. Na przykład do wykrywania chromu większość komercyjnych zestawów oferuje zakresy wykrywania do 1 mg/L, a niektóre do 10 mg/L (Chemetrics20), ale ich limity wykrywalności (LOD) i najmniejsze liczby są zazwyczaj powyżej zalecanego przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) progu bezpiecznej wody pitnej. Na przykład zestaw HACH21 (5-100) oraz (50-1000) mg/L, choć obejmuje szeroki zakres, wykazuje słabą czułość przy niskich stężeniach (najmniejsza liczba ≥5 mg/L) i kosztuje figure-introduction-1125,95 za próbkę, wymagając podstawowych umiejętności eksperymentalnych i wizualnej interpretacji ze względu na zmianę koloru. Zestawy Hanna Hi384622 i Himedia23, choć są tańsze (figure-introduction-2odpowiednio 51,00 i figure-introduction-3375,00 za próbkę), wykazują również ograniczoną czułość, przy czym zestaw Hanna minimalnie liczy 0,2 mg/L. Zestawy Merck24 i Chemetrics20 wykorzystują cyfrowe odczyty i obejmują zakres od średniego do wysokiego (2-10 mg/L). Niemniej jednak ich koszty na próbkę są znacznie wyższe (do figure-introduction-4823,20), a ich wrażliwość pozostaje suboptymalna dla zgodności regulacyjnej. Zestaw BARC25, choć przyjazny dla użytkownika i nadaje się do szybkiej kategoryzacji bezpieczeństwa wodnego w terenie, cierpi również na stosunkowo wysoki limit wykrywalności (≥0,05 mg/L) oraz jakościową, a nie ilościową, wydajność wyjściową.

Podobnie, do wykrywania fluoru, komercyjnie dostępne zestawy, takie jak Aquasol AE21026 (zakresy 0,1-2 mg/L i 120 mg/L) oraz Himedia27 (0-2,5 mg/L) są jednymi z najtańszych, odpowiednio 6 figure-introduction-5i figure-introduction-611,60 mg/L, ale opierają się na kolorymetrii wizualnej z nieokreślonymi granicami czułości i czasem potrzebnym na analizę próbki. Opcje średniej klasy obejmują Merck Colourimetric28 (zakres detekcji 0-0,8 mg/L, figure-introduction-7292,20 na próbkę) oraz Photometric29 (zakres detekcji 0,1-2,5 mg/L, figure-introduction-8456 na próbkę), przy czym ten ostatni oferuje cyfrowe odczyty przy wyższych kosztach. Małe zaawansowane systemy, takie jak Hanna Hi73930 (zakres detekcji 20-20 mg/L, 362 mg/L, figure-introduction-9362 na próbkę) oraz Prerana Laboratories31 (figure-introduction-10150 na próbkę), wykazują kompromisy między czasem detekcji (≥1 minuta dla Hanna kontra 10-30 minut dla Prerany) a precyzją analityczną, choć oba nie mają wyraźnych specyfikacji czułości. Istniejące zestawy albo stawiają na przystępność cenową z obniżoną czułością, albo na wyższe koszty, a limity wykrywania są ograniczone w średnim zakresie do 20 mg/L.

Dostępne komercyjnie zestawy do wykrywania żelaza wykazują zróżnicowane parametry wydajnościowe, z istotnymi kompromisami między czułością, kosztami i złożonością operacyjną. AE30332 oferuje zakres detekcji 0-2 mg/l przy figure-introduction-1114 na próbkę, wykorzystując wizualną technikę kolorymetryczną. Podobnie, inny taki zestaw do wykrywania żelaza, HI383433, obejmuje 0-5 mg/L (figure-introduction-1252 na próbkę) przy najmniejszej liczbie 1 mg/L i czasie detekcji ≥ 4 minuty, co wymaga możliwości przeprowadzania podstawowych eksperymentów. Insa Tech34 służy do wykrywania wysokich stężeń w zakresie 50-800 mg/L, choć jego wysoka cena i czułość (≥50 mg/L) oraz czas wykrywania 75 minut ograniczają jego zastosowanie do celów ogólnych. Zestaw Prerana Laboratories35 (zakres detekcji 0-1 mg/L, figure-introduction-1328 na próbkę) poprawia wykrywanie niskich stężeń (czułość 0,1 mg/L), ale wymaga analizy 30 minut. Paski testowe Hacha36 (zakres detekcji 0-5 mg/L, koszt nieokreślony) osiągają najmniejszą wartość 0,15 mg/L, ale opierają się na subiektywnej interpretacji kolorów.

Komercyjne zestawy do wykrywania arsenu wykazują znaczną zmienność w wydajności analitycznej, kosztach i złożoności operacyjnej. Zestaw terenowy BARC37 (0-0,01 mg/L, figure-introduction-145-10 na próbkę) wykorzystuje nietoksyczny odczynnik i 10-minutową analizę kolorymetryczną, oferując dostępność na obszarach wiejskich, ale opierając się na subiektywnym porównaniu wizualnym. AE40838 (0-0,1 mg/L/0-3 mg/L, figure-introduction-1577,40 na próbkę) stawia na przenośność i zgodność z APHA, choć jego czułość pozostaje nieokreślona. Wyższą czułość osiąga zestaw Lovibond39 (0-0,5 mg/L, figure-introduction-16500 na próbkę), który wykrywa arsen przy stężeniu 5 μg/L, spełniając wytyczne WHO, dzięki bezpiecznemu protokołowi odpornemu na interferencję siarczków. Systemy premium, takie jak Cole-Parmer ITS kit40 (limit detekcji 2 μg/L, figure-introduction-17480 na próbkę) oraz Palintest Visual Kit41 (200 testów/£560, ~figure-introduction-18280 za próbkę), oferują zwiększoną precyzję dzięki systemom weryfikacji EPA lub potrójnej filtracji, ale wiążą się z wysokimi kosztami.

Komercyjnie dostępne zestawy wykrywające chrom, fluorek, żelazo i arsen wykazują krytyczne ograniczenia czułości, kosztów i niezawodności operacyjnej, które utrudniają ich zastosowanie w warunkach terenowych. W przypadku chromu komercyjne zestawy, takie jak HACH (najmniejsza liczba ≥5 mg/L) i Hanna Hi3846 (≥0,2 mg/L), działają powyżej limitu WHO (0,05 mg/L), a koszty wahają się od figure-introduction-1951 do 823 za test i polegają na błędnej interpretacji wizualnej. Podobnie zestawy fluorkowe, takie jak AE210 (rozdzielczość 0,1 mg/L) i Fotometryczne (figure-introduction-20456 na próbkę), stawiają na przystępność cenową lub precyzję, ale brakuje im szybkiej, niezgodnej z WHO-wymogami wykrywalności. Wykrywanie żelaza cierpi na wysokie najmniejsze wartości (HI3834: 1 mg/L; paski: 0,15 mg/L) oraz wydłużone czasy analizy (Prerana: 30 min), podczas gdy zestawy arsenowe, takie jak BARC (10 μg/L LOD) i Lovibond (5 μg/L), mają luki w niezawodności poniżej 70 μg/L i wysokie koszty (do figure-introduction-21 500/test). Proponowane urządzenie wieloanalitowe rozwiązuje te luki poprzez znaczące, przełomowe postępy w wykrywaniu ultraczułości, efektywności kosztowej, łatwości obsługi oraz szybkiej i lokalnej analizie. Dzięki pokonaniu kompromisu między czułością a kosztami oraz zapewnieniu solidnej wydajności w złożonych macierzach, urządzenie to rozwiązuje długoletnie luki w literaturze i braki w monitorowaniu jakości wody stosowanej w terenie, szczególnie w regionach o niskich zasobach, gdzie najważniejsza jest przystępność cenowa, precyzja i łatwość użytkowania. Zdolność do wykrywania zgodności z cyfrową funkcjonalnością punktu opieki stanowi zmianę paradygmatu w analityce środowiskowej i opieki zdrowotnej, przezwyciężając ograniczenia rozproszonych, specyficznych dla analitów rozwiązań komercyjnych.

W obecnej sytuacji społeczeństwo wymaga czujnika, który emituje rzeczywiste stężenie różnych zanieczyszczeń. Istniejące zestawy do testów roboczych i punktów opieki (POCT) spełniają ten wymóg. Dlatego potrzebny jest solidny zestaw POCT o wydajności porównywalnej z zaawansowanymi urządzeniami, takimi jak UV-Vis, AAS czy ICP-MS itp., zdolnym do wykrywania wielu zanieczyszczeń. Niniejsze prace mają na celu opracowanie solidnej metody oraz zestawów POCT, które będą służyć temu celowi. Opracowano tutaj metodę oraz zestaw POCT do wykrywania różnych metali ciężkich w próbkach środowiskowych, biologicznych oraz spożywczych i napojowych. Zastosowano i zaimplementowano technikę wstępnego przetwarzania próbek przy użyciu rodzimo opracowanego sensora optycznego do ilościowego określenia Fe, As, Cr i F. Sensor optyczny został opracowany na zasadzie działania LED-LDR; dlatego nazywa się go zestawem POCT z E-Eyes. Opracowane multipleksowane urządzenie POCT opisane w tej pracy wykazuje silną praktyczną skuteczność w monitorowaniu jakości wody na miejscu, szczególnie w sytuacjach o ograniczonych zasobach. Każdy slot detekcji zawiera konkretny analit z wykorzystującymi selektywne odczynniki i zoptymalizowane warunki. Detekcja Fe2+ działa skutecznie w zakresie stężenia 0,01-5,0 mg/L, z limitem wykrywania (LOD) 0,017 mg/L. Kanał Cr, wykorzystujący chemię karbazydu difenylowego, obejmuje zakres dynamiczny od 10 do 500 μg/L i osiąga LOD 10,78 μg/L. Detekcja fluorku metodą kompleksowej dekoloracji Fe-SCN umożliwia wiarygodne wykrywanie od 0,5 do 47,5 mg/L, z LOD 0,46 mg/L. Na podstawie reakcji z błękitem molibdenowym, wykrywanie arsenu jest skuteczne w zakresie od 5 do 100 μg/L przy LOD 8 μg/L. Wszystkie reakcje przeprowadzane są w temperaturze pokojowej (25 ± 2 °C), a cały test kończy się w mniej niż 5 minut, bez konieczności stosowania zaawansowanych instrumentów czy wykwalifikowanego personelu. Te cechy potwierdzają zastosowanie metody i zgodność z normami jakości wody WHO. Przed przeprowadzeniem reakcji w laboratorium zastosowano teorię funkcji gęstości zależnej od czasu (TD-DFT), aby ustalić specyficzne reakcje chemiczne (klucz i blokadę) dla każdego analita. Analiza TD-DFT przewiduje również odpowiedniprawdopodobny λ maks odczynnika oraz główny produkt reakcji, który stanowi podstawowy szkielet czujnika i zapewnia prawdopodobną skuteczność czujnika. Opracowano prototyp zestawu POCT z E-Eyes, a prototyp został przetłumaczony na urządzenie. Cały proces pracy przedstawiono na Rysunku 1. Urządzenie zostało przetestowane na ponad 2000 próbkach, a jego wydajność porównano z wynikami uzyskanymi za pomocą UV-Vis, ICP-MS i AAS. We wszystkich przypadkach wydajność urządzeń jest bardzo satysfakcjonująca, z minimalnymi i maksymalnymi odchyleniami odpowiednio 1,25% i 6,25%.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Obliczanie i walidacja mechanizmu detekcji reakcji

  1. Wybierz reakcję zamka i klucza na podstawie podstawowej zasady chemicznej celowanego analitu.
  2. Użyj programu Gaussian 09 do wykonania wszystkich obliczeń przy użyciu metody hybrydowej Becke, 3-parametrowej, Lee-Yang-Parr (B3LYP) oraz zestawu14 bazy Los Alamos National Laboratory 2 Double ζ (LanL2DZ), aby uzyskać dokładniejsze wyniki w obliczeniach elektronicznych z użyciem celowanego analitu. Tutaj protokół omawiany jest wyłącznie dla żelaza (Fe), co dotyczy wszystkich innych analitów.
  3. Wprowadź podejście samospójnego pola reakcji (SCRF) z modelem ciągłego polaryzacji (PCM), aby uwzględnić efekt rozpuszczalnika. W tym protokole zakłada się, że woda jest rozpuszczalnikiem.
  4. Optymalizuj geometrię molekularną za pomocą funkcji geom=łączność. Pomaga to zachować jawne informacje o wiązaniu podczas optymalizacji.
  5. Oblicz energię stanu podstawowego potrzebną do obliczenia zoptymalizowanej struktury cząsteczki, stosując kroki wymienione w 1.2 i 1.3.
  6. Uzyskaj elektronowe przejście wzbudzone metodą Time-Dependent Self-Consistent Field (TD-SCF) (ns=60)14. Użyj tej samej metody do uzyskania widm absorpcji UV.
  7. Optymalizuj geometrię cząsteczki poprzez obliczenia DFT w stanie podstawowym przy użyciu funkcji B3LYP i zestawu bazowego LanL2DZ.
  8. Uzyskaj zoptymalizowaną strukturę 1,10-fenantropiny i Fe2+, jak pokazano na rysunku 2A,B.
  9. Podobnie symuluj strukturę cząsteczkową heksafluoroferratu (FeF6), który ma strukturę ośmiościenną z Fe3+ jako atomem centralnym otoczonym przez 6 atomów F- , jak pokazano na Rysunku 2C.
    UWAGA: Reakcja, czyli powstawanie ferroinu, jest specyficzna dla Fe2+. Dlatego początkowo Fe3+ powinno być zredukowane do Fe2+ zgodnie z poniższą reakcją.
    figure-protocol-1
    Fe2+ reaguje szybko z 1,10-fenantropliną i tworzy ferroinę, pomarańczowy kompleks widoczny gołym okiem (patrz reakcja poniżej). Ta reakcja jest sercem czujnika, jak pokazano na Rysunku 2.

2. Opracowanie kolorymetrycznego czujnika chemicznego

  1. Zdobądź chemikalia analitycznej potrzebne do powyższej reakcji.
  2. Przelej równe ilości cytrynianu trisodu, kwasu askorbinowego i 1,10-fenantropiny do przezroczystej szklanej rurki hodowlanej.
    1. W eksperymencie 1 mL każdego reagenta zostało przyjęte do 5 mL przezroczystej szklanej rurki hodowlanej. Po dodaniu 1 mL każdego odczynnika (1 mL kwasu askorbinowego, 1 mL cytrynianu trójsodowego i 1 mL fenantropliny), dodaj 2 mL bulionu. Jeśli dodano 5 mg/L wywaru, końcowe stężenie wynosi 2 mg/L (C1V1 = C2V2), a końcowa objętość to 5 mL.
  3. Zoptymalizuj stosunek odczynników, aby uzyskać pH ośrodka reakcyjnego, używając kwasu askorbinowego, który działa również jako środek maskujący. Optymalizuj odczynniki tak, aby osiągnąć pH 2 przy maksymalnej absorbancji przy długości fali 510 nm.
  4. Użyj środka maskującego, aby wyeliminować interferencje z miedzi, ponieważ 1,10-fenantrolina tworzy także żółty kompleks z miedzi w środowisku zasadowym.
    UWAGA: Miedź może zakłócać reakcję, ponieważ 1,10-fenantroplina tworzy również żółty kompleks z miedzią w środowisku zasadowym. Dlatego utrzymanie pH podłoża jest bardzo istotne. Kwas askorbinowy spełnia tę funkcję. Jednak pH może się zmieniać z czasem, a azot 1,10-fenantropliny może być protonowany przy tak niskim pH. Aby przezwyciężyć te trudności, stosuje się bufor trysodowy, który pomaga utrzymać pH i zapobiega protonacji 1,10-fenantropliny.
  5. Przygotuj roztwory Fe2+ o różnych stężeniach od 0,05 mg/L do 4,0 mg/L z FeSO 4,7H2O.
  6. Dodaj 1 mL tego roztworu do mieszaniny reakcyjnej przedstawionej na Rysunku 3A, co daje pomarańczowy ferroin jako wskaźnik Fe2+ (Rysunek 3B).
    UWAGA: Tutaj dodanie roztworu zapasowego do mieszaniny odczynników stanowi punkt kontrolny wizualny, który nadaje kolor pomarańczowy. Szczególną uwagę należy zwrócić na czynniki redukujące, ponieważ 1,10-fenantroplina jest selektywna do Fe2+ i nie tworzy kompleksu z Fe3+.
  7. Zbieraj surowe próbki i filtruj za pomocą papieru Whatman o rozmiarze porów, 20-25 μm. Jeśli trzeba, wykonaj rozcieńczenie po filtracji14.
    1. Pobieraj próbki wody bezpośrednio ze źródeł środowiskowych (np. rzeka Brahmaputra) w wcześniej oczyszczonych, kwasowo mytych butelkach z polietylenu o wysokiej gęstości. Natychmiast zatkaj butelki i przefiltruj (w ciągu 2 godzin) za pomocą papieru filtrującego Whatman o porach 20-25 μm. Wykonaj wstępne oczyszczanie, aby usunąć osady i kolor z próbek innych niż woda DI z dodatkiem (głównie próbki środowiskowe; patrz Plik Uzupełniający 1).
  8. Zmierz ilość żelaza w próbkach za pomocą spektroskopii UV-Vis w zakresie długości fal 250-750 nm, co jest uznawane za złoty standard w obecnym pomiarze.
    1. Umieść próbki w kwarcowych kuwetach o długości ścieżki 1 cm. Zrób pomiary absorpcji przy określonych długościach fal odpowiadających szczytowej absorpcji każdego analitu w potrójnym egzemplarze. Wykonaj korektę bazową za pomocą pustego opakowania zawierającego tę samą wodę. Wszystkie pomiary przeprowadzać w temperaturze pokojowej w standardowych warunkach laboratoryjnych (prędkość skanowania: medium, typ pomiaru: absorpcja, szerokość szczeliny: 5,0 L, detektory: bezpośrednie), aby zapewnić spójność i wiarygodność wyników.
      UWAGA: Kuwety Quratz używane w spektroskopii UV-vis muszą być optycznie takie same i przezroczyste, aby zapewnić dokładne pomiary absorpcji. Każda widoczna plama, osad czy rysy mogą wprowadzić poważne błędy i wymagać natychmiastowej wymiany.
  9. Jeśli Fe2+ nie zostanie znaleziony w kroku 2,8, należy podać do próbek Fe2+ w różnych stężeniach od 0,05 do 4 mg/L. Przed krokiem 2,8 zredukuj Fe3+ za pomocą kwasu askorbinowego, aby oszacować całkowitą zawartość żelaza w próbkach.
    UWAGA: Wszystkie reakcje zachodzą w temperaturze pokojowej. Kompleks ferroinowy powstaje natychmiast po dodaniu Fe2+. Dlatego czujnik działa dobrze w temperaturze pokojowej, a jego czas reakcji jest bardzo krótki, w ciągu kilku sekund.

3. Projekt i produkcja prototypu zestawu E-Eye-Enable POCT

  1. Zdobądź ldr, białą diodę LED, LCD, mikrokontroler mikroprocesora i rezystory.
  2. Rozłóż diodę LED i LDR naprzeciwko siebie na pudełku drukowanym w 3D. Pudełko zawiera kuwetę, w której ferroin powstaje poprzez reakcję zamka i klucza, jak pokazano na rysunku 4A.
    UWAGA: Użyta tutaj dioda LED emituje białe światło; jego średnica wynosi około 5 mm, a napięcie wsteczne 5 V. LDR używany w prototypie ma zdolność wykrywania od 5 Ω do 10 kΩ. Co więcej, ten LDR skutecznie wykrywa długość fali od 400 do 700 nm emitowaną przez używaną tutaj diodę LED.
  3. Uzupełnij układ o niezbędne komponenty sprzętowe elektroniczne: rezystory (3,3 kΩ), przewody łączące oraz jednostkę LCD (SKU: 11497).
  4. Wszystkie powyższe komponenty podłącz do mikroprocesora przez układ dzielnika napięcia przedstawiony na Rysunku 4B. Programowanie wykonuj za pomocą Arduino IDE v1.8.19. Odczytuj analogowy sygnał analogowy oparty na diodach LED na LDR każdego kanału za pomocą analogowych pinów (A0-A3).
    UWAGA: Mikroprocesor pełni rolę centralnej jednostki przetwarzającej układ. System optoelektronicznego akwizycji danych został zbudowany z wykorzystaniem mikrokontrolera Arduino Uno (Rev3).
  5. Wyposażone są zaawansowane i zaawansowane filtry elektroniczne (rezystancja 10 kΩ, pojemność 1 μF), aby poprawić wydajność czujnika poprzez tłumienie szumów i zwiększenie siły instrumentalnej urządzenia.
  6. Wydrukuj płytkę drukowaną (PCB), jeśli projekt jest ukończony.
  7. Dostarczaj zasilanie do obwodu, włączając elektroniczny przełącznik i rejestrując reakcję czujnika w postaci oporu.
    1. Po włączeniu przełącznika dioda LED emituje światło, które przechodzi przez komorę reakcyjną. LDR wykrywa natężenie przedawanego światła i daje opór. Porównaj tę oporność ze stężeniem Fe2+ obecnego w próbce. Ta korelacja znanych próbek stanowi kalibrację wykresu. Włącz równanie uzyskane z tego wykresu kalibracyjnego w algorytmie wyprowadzonym.
  8. Cały schemat obwodu przedstawiony jest na rysunku 4C. Wydrukuj urządzenie po wykonaniu wszystkich powyższych kroków w tej sekcji. Rzeczywisty obraz wyprodukowanego urządzenia przedstawiono na Rysunku 4D.
    UWAGA: Drukowanie płytki drukowanej zwiększa niezawodność i gwarantuje solidną integrację komponentów sprzętowych elektronicznych.

4. Rozwój urządzenia multipleksowanego

UWAGA: Do wykrycia wielu analitów w jednym ujęciu potrzebne jest wiele kanałów. W tym celu zainstalowano cztery kanały, które są zintegrowane z prototypem.

  1. Stwórz cztery szczeliny w pudełku 3D, aby trzymać cztery kuwetty na ich odpowiednich pozycjach. Izoluj każdy slot detekcji optycznie i elektronicznie, aby zminimalizować zakłócenia, fizycznie poprzez nieprzezroczyste bariery między kanałami oraz elektronicznie, używając oddzielnych par LED-LDR i indywidualnych dzielników napięcia, aby zapobiec nakładaniu się sygnału.
    1. Przypisz jeden slot konkretnemu analitowi; Nie wymieniaj slotów. Slot przypisany do konkretnego analitu musi pomieścić kuwetę, która zawiera wyłącznie odczynniki specyficzne dla danego analitu.
  2. Powtórz protokoły opisane w krokach 3.3 do 3.7. Wszystkie cztery pary LED-LDR są połączone równolegle z płytką drukowaną. Jeden reprezentatywny schemat obwodu oraz obraz prototypu dla sześciu takich slotów (6 slotów) pokazano na Rysunku 5.
  3. Włącz przełącznik, aby zasilić obwód. Wszystkie diody LED się świecą; w konsekwencji LDR-y wykrywają wszystkie cztery anality jednocześnie.
    UWAGA: Działa na tej samej zasadzie, co omówiona w notatce pod krokiem 3.7. Należy zauważyć opór pusty; Każda zmiana podlegająca czynnikom zewnętrznym wymaga ponownego kalibrowania. Urządzenie zostało wykonane do spektroskopii UV-vis. Jednak źródło optyczne (LED) użyte w tej pracy obejmuje długość fali 400-750 nm. Dlatego żadna złożona absorpcja UV lub bliskiej podczerwieni może nie dawać dokładnych wyników. Urządzenie może pracować wyłącznie w swoim zakresie liniowym. W związku z tym żaden analit skażony w nadmiarze lub poniżej tego zakresu nie może zapewnić wiarygodnego wyniku.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Niniejszy manuskrypt omawia protokół projektowania i rozwijania zestawu optycznego multipleksowanego POCT, który wykrywa Fe, Cr, As i F w różnych próbkach. Rysunek 1 przedstawia algorytmy całej procedury. Kolorymetryczny czujnik chemiczny został opracowany na podstawie wyników symulacji TD-DFT. Ten czujnik chemiczny jest zintegrowany z rodzimo opracowanym czujnikiem optycznym. Ostatnim urządzeniem jest cyfrowy sensor POCT z funkcją E-Eye. Numeryczna optymalizacja kolorymetrycznego czujnika c...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Weryfikacja zestawu POCT z E-Eye względem złotego standardu (UV-vis) pokazana jest na Rysunku 5. W tym celu przygotowano próbki Fe2+ z dodatkiem dodatkowym. Jego stężenie zmierzono potrójnie za pomocą opracowanego zestawu E-Eye POCT oraz spektrofotometru UV-vis, a średnia wartość została zgłoszona. Porównano oba odczyty i zaobserwowano, że urządzenie spełnia standard złota. Wyniki dowodzą, że rodzimo opracowany zestaw E-Eye-Enable POCT skutecznie mierzy całkowite żelazo w próbkach...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Dziękujemy MeitY SWASTHA (Grant 5 (1)/2022-NANO), ICMR Center for Excellence (Grant 5/3/8/20/20/2019-ITR) oraz rządowi Indii za pomoc finansową.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
1,10-fenantrolin monohydrat (C12H8N2. H2O)5144-89-8Sigma Aldrich, Indie
1,5-difenylokarbazyd (C13H14N4O)140-22-7Sigma Aldrich, Indie
Aceton (C3H6O)67-64-1Sigma Aldrich, Indie
Tetrahydrat amonu molibdania ((NH?)? Mo? O?? · 4H? O)12054-85-2Sigma Aldrich, Indie
Rada rozwojowa Arduino UNOSKU  A000066Robu.in
Kwas askorbinowy (C6H8O6)50-81-7 Himedia, Indie
Deska do stykuSKU: 24441Robu.in
Chlorek żelaza (FeCL3)7705-08-0 Himedia, Indie
Heptahydrat siarczanu żelaza (FeSO4.7H2O)7782-63-0 Himedia, Indie
Kwas solny (HCl)7647-01-0 Finar, Indie
Nadtlenek wodoru (H2O2)7722-84-1 Finar, Indie
Przewody rozłączająceSKU: 44281Robu.in
Dioda LEDSKU: R110553Robu.in
Rezystor zależny od światła (LDR)SKU: 1496181Robu.in
Wyświetlacz ciekłokrystaliczny (LCD)SKU: 11497Robu.in
Woda Milli-Q (18,2  MΩ) 
MultimetrSKU: 1720374Robu.in
Kwas azotowy (HNO3)7697-37-2 Finar, Indie
Fosforanowa sól fizjologiczna (PBS)SKU:  M1866Himedia, Indie
Dichromian potasu (K2Cr2O7)7778-50-9 Himedia, Indie
PotencjometrSKU: 790452Robu.in
RezystorySKU: R225238Robu.in
Heptahydrat arsenu sodu (Na2HAsO4· 7H2O)10048-95-0 Himedia, Indie
Fosforan sodu (NaH2PO4)  13472-35-0 Himedia, Indie
Fluorek sodu (NaF)7681-49-4Himedia, Indie
Tiocyjanian sodu (NaSCN)540-72-7 Himedia, Indie
Kwas siarkowy (H2SO4)7664-93-9 Finar, Indie
Dwuchlorek cytrynianu sodu (Na3C6H5O7.2H2O)03-04-6132Himedia, Indie

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Analiza TD DFTczujnik E Eyetesty w punkcie opieki POCTczujnik optycznydetekcja multipleksowaanaliza pr bek rodowiskowychspektroskopia UV Visoznaczanie ilo ci elazadetekcja arsenufotorezystor

Powiązane artykuły