Методическая статья

Управляемый TD-DFT усовершенствованный метод E-Eye Sensing для количественного определения Fe, Cr, F и As в образцах окружающей среды, биологических и пищевых продуктов

DOI:

10.3791/68767

⸱

19 сентября 2025 г.

 ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

В данной работе обсуждался протокол проектирования и разработки устройства E-Eye-Enable POCT для обнаружения Fe, Cr, As и F в образцах окружающей среды, биологических образцах, продуктах питания и напитках. Было протестировано около 2000 образцов, и результаты соответствуют методике золотого стандарта.

Аннотация

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

В этом документе демонстрируется пошаговый протокол проектирования и разработки набора для мультиплексного тестирования на месте оказания медицинской помощи (POCT) с поддержкой E-Eye. Мы используем теорию нестационарной функции плотности (TD-DFT) для изучения основного принципа работы датчиков, прежде чем углубляться в детали аппаратного обеспечения устройства. Анализ TD-DFT дает λmax целевого элемента, что помогает найти наиболее точный маршрут обнаружения загрязняющего вещества в анализируемых материалах. Анализ TD-DFT выполняется в программном обеспечении Gaussian 09 и Gauss View 5.0. Оптический датчик, называемый электронным глазом (E-Eye), был разработан на основе значения λmax и принципа светоизлучающего диода/светозависимого резистора (LED/LDR). Устройство E-Eye было изготовлено со светодиодом, LDR, расположенными друг напротив друга, и другим оборудованием, включая жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей), сопряженный с микропроцессором через делитель напряжения, действующий как центральный микропроцессор. Первоначально все образцы (экологические, биологические, пищевые и безалкогольные) были предварительно обработаны для извлечения всех целевых элементов в водной фазе. В указанном реакторе была проведена специфическая реакция (с замком и ключом), и были зарегистрированы показания, наблюдаемые в блоке индикации. Также было изготовлено устройство с методом мультиплексирования внутри страны для одновременного обнаружения Fe, Cr, As и F. Эффективность датчиков была проверена на более чем 2000 образцах и сравнена с методами золотого стандарта. Хорошая точность была подтверждена с точностью 95,3%, 94,7% и 95,4% в отношении образцов окружающей среды, биологических и продуктов питания и напитков. Важно отметить, что производительность датчика мышьяка была сравнена с результатами атомно-абсорбционной спектрометрии (AAS), а все остальные результаты, т.е. сенсоры для железа, хрома и фтора, были сравнены с результатами, полученными с помощью УФ-ВИД анализа.

Введение

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

Тяжелые металлы играют важную роль в поддержании экосистемы Земли, которая имеет важное значение для человека1. Напротив, промышленный рост и освоение природных ресурсов в последнее время привели к тому, что тяжелые металлы стали загрязнять пищевую цепочку и другие жизненно важные товары живых существ, что является серьезной тревогой для современной цивилизации. Это связано с их биоаккумуляцией в живых и неживых телах и природой неразлагаемости2. В связи с этим правительство США в течение длительного времени постоянно оценивает качество продуктов питания, в том числе детского, чтобы контролировать качество продуктов питания. В общей сложности они проанализировали более 22 элементов и более 3200 образцов повсей стране3.

Во многих случаях уровни тяжелых металлов превышали пороговый предел, рекомендованный ВОЗ и Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, а также Отчетом об исследовании общего рациона питания (TDS), июль 2022 года. Аналогичный вывод можно сделать и по водоемам и почвам Европы 4,5. Помимо почвы и воды, большое присутствие тяжелых металлов угрожает жизни 6,7. Важно отметить, что Индия является страной, основанной на реках, и недавнее исследование показывает, что более 43% рек имеют тревожный уровень многих тяжелых металлов и других загрязнителей 8,9. В этой программе8 было признано, что уровень свинца в крови у более чем 27,5 крор детей превышает 5 мкг/дл, что считается небезопасным.

В вышеприведенных дискуссиях говорится о необходимости непрерывного мониторинга тяжелых металлов и других опасных химических веществ для благополучия мирового сообщества. Существуют различные методы обнаружения и измерения концентрации тяжелых металлов, такие как УФ-ВИД спектроскопия, AAS, индуктивно связанная плазменно-атомно-эмиссионная спектроскопия (ICP-AES) и индуктивно связанная плазмомасс-спектрометрия (ICP-MS) и т. д. (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, Total Diet Study Report (TDS), июль 2022 г.)3. Потребность в высококлассном оборудовании и квалифицированной рабочей силе ограничивает эти методы для быстрого обнаружения тяжелых металлов на месте. Ситуация, описанная в предыдущем параграфе, требует удобного для пользователя, быстрого и точного комплекта для обнаружения тяжелых металлов на месте, который может помочь контролировать качество почвы, воздуха и воды.

Было много попыток разработать вышеупомянутые комплекты для обнаружения тяжелых металлов на месте10,11. Некоторые из них 12,13,14,15 были успешными, а некоторые 13 не выполнили требования рекомендаций ВОЗ. Некоторые из них представляют собой цифровые датчики, которые отображают цифровые значения концентраций аналитов 16,17,18. Остальная часть представляет собой качественные датчики, такие как микрофлюидные датчики на бумажной основе, используемые для теста на беременность, которые могут отмечать наличие и отсутствие целевых загрязнителей в образце19. На рынке коммерчески доступно несколько наборов различных марок, марок и моделей, которые могут регулярно использоваться для проверки присутствия тяжелых металлов в воде и других образцах. Эти комплекты, как правило, классифицируются на основе ключевых показателей эффективности, таких как дальность обнаружения, стоимость образца, чувствительность, эксплуатационная надежность и необходимые технические навыки. Например, для обнаружения хрома большинство коммерческих наборов предлагают диапазоны обнаружения до 1 мг/л, а некоторые — до 10 мг/л (Chemetrics20), но их пределы обнаружения (LOD) и наименьшие значения обычно превышают рекомендуемый Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) порог для безопасной питьевой воды. Например, набор HACH21 (5-100) и (50-1000) мг/л, хотя и охватывает широкий диапазон, демонстрирует низкую чувствительность при низких концентрациях (наименьшее количество ≥5 мг/л) и стоит figure-introduction-1125,95 мг/л, требуя базовых экспериментальных навыков и визуальной интерпретации по изменению цвета. Наборы Hanna Hi384622 и Himedia23, хотя и более доступны по цене (figure-introduction-251,00 и figure-introduction-3375,00 за образец соответственно), также демонстрируют ограниченную чувствительность, с наименьшим количеством в наборе Hanna 0,2 мг/л. Наборы Merck24 и Chemetrics20 используют цифровые показания и охватывают промежуточные и высокие диапазоны обнаружения (2-10 мг/л). Тем не менее, их затраты на образец значительно выше (до figure-introduction-4823,20), а их чувствительность остается неоптимальной для соответствия нормативным требованиям. Набор BARC25, хотя и удобен в использовании и подходит для быстрой полевой категоризации безопасности воды, также страдает от относительно высокого предела обнаружения (≥0,05 мг/л) и качественного, а не количественного выхода.

Аналогичным образом, для обнаружения фтора коммерчески доступные наборы, такие как Aquasol AE21026 (диапазоны 0,1-2 мг/л и 120 мг/л) и Himedia27 (0-2,5 мг/л), являются одними из самых доступных figure-introduction-5(6 и figure-introduction-611,60 мг/л) соответственно, но полагаются на визуальную колориметрию с неопределенными пределами чувствительности и временем, затраченным на анализ образца. К вариантам среднего класса относятся наборы Merck Colorimetric28 (дальность обнаружения 0-0,8 мг/л, figure-introduction-7292,20 на образец) и Photometric29 (дальность обнаружения 0,1-2,5 мг/л, figure-introduction-8456 на образец), причем последний предлагает цифровые показания по более высокой цене. Небольшие сложные системы, такие как Hanna Hi73930 (дальность обнаружения 20-20 мг/л, figure-introduction-9362 на образец) и Prerana Laboratories31 (figure-introduction-10150 на образец), демонстрируют компромисс между временем обнаружения (≥1 минута для Hanna против 10-30 минут для Prerana) и аналитической точностью, хотя обе не имеют явных спецификаций чувствительности. Существующие комплекты отдают предпочтение либо доступности с низкой чувствительностью, либо повышенной точности при повышенных затратах, при этом пределы обнаружения находятся в среднем диапазоне до 20 мг/л.

Коммерчески доступные комплекты для обнаружения железа демонстрируют различные эксплуатационные характеристики, со значительными компромиссами между чувствительностью, стоимостью и сложностью эксплуатации. AE30332 обеспечивает диапазон обнаружения 0-2 мг/л ( figure-introduction-1114 мг/л) на образец, используя визуальный колориметрический метод. Аналогичным образом, другой такой набор для обнаружения железа, HI383433, охватывает 0-5 мг/л (figure-introduction-1252 на образец) с минимальным количеством 1 мг/л и временем обнаружения ≥ 4 минуты, что требует возможности проведения основных экспериментов. Insa tech34 предназначен для детектирования высоких концентраций в диапазоне 50-800 мг/л, хотя его высокая стоимость и чувствительность (≥50 мг/л) при времени обнаружения 75 мин ограничивают его применение для общих целей. Набор35 от Prerana Laboratories (диапазон обнаружения 0-1 мг/л, 28 мг/л на образец) figure-introduction-13улучшает обнаружение низких концентраций (чувствительность 0,1 мг/л), но требует времени анализа 30 мин. Тест-полоскиHach 36 (диапазон обнаружения 0-5 мг/л, неуказанная стоимость) достигают минимального значения 0,15 мг/л, но полагаются на субъективную интерпретацию цвета.

Коммерческие комплекты для обнаружения мышьяка демонстрируют значительную вариативность в аналитических характеристиках, стоимости и сложности эксплуатации. В полевом наборе BARC37 (0-0,01 мг/л, 5-10 на образец) figure-introduction-14используется нетоксичный реагент и 10-минутный колориметрический анализ, обеспечивающий доступность в сельской местности, но основанный на субъективном визуальном сравнении. AE40838 (0-0,1 мг/л/0-3 мг/л, figure-introduction-1577,40 на образец) отдает приоритет портативности и соответствию APHA, хотя его чувствительность остается неопределенной. Более высокая чувствительность достигается за счет набора Lovibond39 (0-0,5 мг/л, figure-introduction-16500 на образец), который обнаруживает мышьяк в концентрации 5 г/л, что соответствует рекомендациям ВОЗ, с помощью безопасного, устойчивого к сульфидной интерференции протокола. Системы премиум-класса, такие как Cole-Parmer ITSkit 40 (предел обнаружения 2 г/л, figure-introduction-17480 на образец) и Palintest Visual Kit41 (200 тестов/560 фунтов стерлингов, ~figure-introduction-18280 за образец), обеспечивают повышенную точность с проверкой EPA или системами с тройным фильтром, но требуют больших затрат.

Коммерчески доступные наборы для обнаружения хрома, фтора, железа и мышьяка имеют критические ограничения чувствительности, стоимости и эксплуатационной надежности, которые препятствуют их использованию в полевых условиях. Что касается хрома, коммерческие наборы, такие как HACH (наименьшее количество ≥5 мг/л) и Hanna Hi3846 (≥0,2 мг/л), работают выше предела ВОЗ (0,05 мг/л), при этом затраты варьируются от figure-introduction-1951 до 823 за тест и полагаются на подверженную ошибкам визуальную интерпретацию. Аналогичным образом, фторсодержащие наборы, такие как AE210 (разрешение 0,1 мг/л) и фотометрический (figure-introduction-20456 на образец), отдают предпочтение доступности или точности, но не обеспечивают быстрого обнаружения, не соответствующего требованиям ВОЗ. Обнаружение железа страдает от высокого минимального количества (HI3834: 1 мг/л; полоски: 0,15 мг/л) и длительного времени анализа (Prerana: 30 мин), в то время как наборы мышьяка, такие как BARC (10 мкг/л LOD) и Lovibond (5 мкг/л), сталкиваются с разрывом в надежности ниже 70 мкг/л и высокими затратами (до figure-introduction-21 500 г/тест). Предлагаемое мультианалитное устройство устраняет эти пробелы за счет значительных трансформационных достижений в области сверхчувствительного обнаружения, экономичности, удобства для пользователя, а также быстрого анализа на месте. Преодолевая компромисс между чувствительностью и стоимостью и обеспечивая надежную работу в сложных матрицах, это устройство устраняет давние пробелы в литературе и пробелы в мониторинге качества воды, особенно в регионах с ограниченными ресурсами, где доступность, точность и простота использования имеют первостепенное значение. Его способность определять степень соответствия требованиям с помощью цифровых функций в местах оказания медицинской помощи представляет собой смену парадигмы в аналитике окружающей среды и здравоохранения, преодолевая ограничения разрозненных, специфичных для аналита коммерческих решений.

В современном сценарии общество нуждается в датчике, который бы транслировал фактическую концентрацию различных загрязняющих веществ. Существующие наборы для тестирования на рабочем месте и в месте оказания медицинской помощи (POCT) соответствуют этому требованию. Таким образом, существует потребность в надежном комплекте POCT с производительностью, сравнимой с производительностью высококлассного оборудования, такого как UV-Vis, AAS или ICP-MS и т. д., способного обнаруживать множество загрязняющих веществ. Настоящая работа направлена на разработку надежного метода и наборов POCT для достижения этой цели. Здесь были разработаны метод и набор POCT для обнаружения различных тяжелых металлов в образцах окружающей среды, биологии, продуктов питания и напитков. Метод предварительной обработки образцов был принят и реализован с использованием оптического датчика собственной разработки для количественного определения Fe, As, Cr и F. Оптический датчик разработан на основе принципа работы LED-LDR; вот почему он называется набором POCT с поддержкой E-Eyes. Разработанное мультиплексное устройство POCT, представленное в этой работе, демонстрирует высокую практическую применимость для мониторинга качества воды на месте, особенно в условиях ограниченных ресурсов. Каждый слот для детектирования имеет определенный аналит с использованием селективных реагентов и оптимизированных условий. Детектирование Fe2+ эффективно работает в диапазоне концентраций 0,01-5,0 мг/л с пределом обнаружения (LOD) 0,017 мг/л. Cr-канал, использующий химический состав дифенилкарбазида, охватывает динамический диапазон 10-500 мкг/л и достигает LOD 10,78 мкг/л. Обнаружение фтора с помощью метода комплексного обесцвечивания Fe-SCN обеспечивает надежное обнаружение в диапазоне от 0,5 до 47,5 мг/л с LOD 0,46 мг/л. Основываясь на реакции молибденового синего, обнаружение мышьяка эффективно в диапазоне 5-100 мкг/л с LOD 8 мкг/л. Все реакции проводятся при комнатной температуре (25 ± 2 °C), а весь анализ завершается менее чем за 5 минут, не требуя сложных приборов или квалифицированного персонала. Эти особенности подтверждают применимость метода и соответствие стандартам качества воды ВОЗ. Перед проведением реакции в лаборатории была принята теория зависимости от времени плотности (TD-DFT) для определения конкретных химических реакций (замка и ключа) для каждого анализируемого вещества. Этот анализ TD-DFT также предсказывает соответствующее вероятное λmax реагента и основной продукт реакции, который является фундаментальной основой датчика и обеспечивает вероятную эффективность датчика. Был разработан прототип набора POCT с поддержкой E-Eyes, и прототип был преобразован в устройство. Весь рабочий процесс показан на рисунке 1. Устройство было протестировано на более чем 2000 образцах, и его производительность была сравнена с результатами, полученными с помощью UV-Vis, ICP-MS и AAS. Во всех случаях производительность устройства весьма удовлетворительна с минимальными и максимальными отклонениями 1,25% и 6,25% соответственно.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Расчет и валидация механизма восприятия реакции

  1. Выберите реакцию замка и ключа на основе основного химического принципа целевого аналита.
  2. Используйте программу Gaussian 09 для выполнения всех расчетов с использованием 3-параметрического гибридного метода Ли-Янга-Парра (B3LYP) и набора14 базы двойного ζ Лос-Аламосской национальной лаборатории 2 (LanL2DZ) для получения более точных результатов электронных вычислений с использованием целевого аналита. Здесь протокол обсуждается только для железа (Fe), который применяется ко всем остальным аналитам.
  3. Внедрите подход на основе самосогласованного реакционного поля (SCRF) с моделью поляризуемого континуума (PCM) для учета эффекта растворителя. В этом протоколе предполагается, что вода является растворителем.
  4. Оптимизируйте молекулярную геометрию с помощью функции geom=connectivity. Это помогает сохранить четкую информацию о связях в процессе оптимизации.
  5. Рассчитайте энергию основного состояния, необходимую для вычисления оптимизированной структуры молекулы, используя шаги, упомянутые в 1.2 и 1.3.
  6. Получение электронного перехода в возбужденном состоянии методом Time-Dependent Self-Execution Field (TD-SCF) (ns=60)14. Используйте тот же метод для получения спектров поглощения УФ-излучения.
  7. Оптимизируйте геометрию молекулы с помощью расчетов DFT основного состояния с использованием функционала B3LYP и базисного набора LanL2DZ.
  8. Получите оптимизированную структуру 1,10-фенантролина и Fe2+ , как показано на рисунке 2A, B.
  9. Аналогичным образом смоделируйте молекулярную структуру гексафторферрата (FeF6), который имеет октаэдрическую структуру с Fe3+ в качестве центрального атома, окруженного 6 атомами F- , как показано на рисунке 2C.
    Примечание: Реакция, т.е. образование ферроина, специфична для Fe2+. Именно поэтому, изначально, Fe3+ должен быть снижен до Fe2+ в соответствии с реакцией ниже.
    figure-protocol-1
    Fe2+ быстро реагирует с 1,10-фенантролином и образует ферроин, комплекс оранжевого цвета, видимый невооруженным глазом (см. реакцию ниже). Эта реакция является сердцем датчика, как показано на рисунке 2.

2. Разработка колориметрического химического сенсора

  1. Приобретите химические вещества аналитического качества, необходимые для проведения вышеуказанной реакции.
  2. Перенесите равные объемы дигидрата цитрата натрия, аскорбиновой кислоты и 1,10-фенантролина в прозрачную стеклянную пробирку для культуры.
    1. В эксперименте 1 мл каждого реагента помещали в пробирку для культуры из прозрачного стекла объемом 5 мл. После добавления по 1 мл каждого реагента (1 мл аскорбиновой кислоты, 1 мл цитрата тринатрия и 1 мл фенантролина) добавьте 2 мл бульона. Если было добавлено 5 мг/л бульона, то конечная концентрация составляет 2 мг/л (C1V1 = C2V2), а конечный объем – 5 мл.
  3. Оптимизируйте соотношение реагентов для достижения pH реакционной среды с помощью аскорбиновой кислоты, которая также действует как маскирующий агент. Оптимизируйте реагенты для достижения pH 2 при максимальном поглощении на длине волны 510 нм.
  4. Используйте маскирующее средство для устранения помех от меди, так как 1,10-фенантролин также образует комплекс желтого цвета с медью в щелочной среде.
    Примечание: Медь может вмешиваться в реакцию, так как 1,10-фенантролин также образует комплекс желтого цвета с медью в щелочной среде. Таким образом, поддержание pH среды имеет очень важное значение. Аскорбиновая кислота служит этой цели. Тем не менее, pH может меняться со временем, и азот 1,10-фенантролина может протонироваться при таком низком pH. Для преодоления этих трудностей используется буфер из цитрата тринатрия, который помогает поддерживать pH и предотвращать протонирование 1,10-фенантролина.
  5. Готовят растворы Fe2+ с различными концентрациями от 0,05 мг/л до 4,0 мг/л из FeSO 4,7H2O.
  6. Добавьте 1 мл этого раствора в реакционную смесь, изображенную на рисунке 3А, что дает ферроин оранжевого цвета в качестве индикатора Fe2+ (рисунок 3В).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь добавление исходного раствора к смеси реагентов является визуальной контрольной точкой, которая дает оранжевый цвет. Особое внимание следует уделить восстановителям, так как 1,10-фенантролин селективен кFe2+ и не образует комплекса с Fe3+.
  7. Соберите необработанные образцы и отфильтруйте с помощью ватмана размером с поры, фильтровальной бумаги 20-25 мкм. При необходимости проведите последующее фильтрационное разбавление14.
    1. Отбирайте пробы воды непосредственно из источников окружающей среды (например, реки Брахмапутра) в предварительно очищенные, промытые кислотой полиэтиленовые бутылки высокой плотности. Флаконы сразу же закупорить крышками и отфильтровать (в течение 2 часов) с помощью фильтровальной бумаги ватман с размером пор 20-25 мкм. Проведите предварительную обработку для удаления отложений и цвета из образцов, отличных от воды с шипами DI (в первую очередь образцов окружающей среды; см. Дополнительный файл 1).
  8. Измерьте количество железа в образцах с помощью УФ-ВИД спектроскопии в диапазоне длин волн 250-750 нм, что считается золотым стандартом в данном измерении.
    1. Поместите образцы в кварцевые кюветы длиной пути 1 см. Проведите измерения поглощения на определенных длинах волн, соответствующих пиковому поглощению каждого аналита в трех экземплярах. Выполните коррекцию базовой линии с помощью заготовки, содержащей ту же воду. Проводите все измерения при комнатной температуре в стандартных лабораторных условиях (скорость сканирования: средняя, тип измерения: абсорбция, ширина щели: 5,0 л, детекторы: прямые) для обеспечения согласованности и надежности результатов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Кюветы Кураца, используемые для УФ-видимой спектроскопии, должны быть оптически одинаковыми и прозрачными, чтобы обеспечить точные измерения поглощения. Любое видимое пятно, след или царапина могут привести к серьезным ошибкам и потребовать немедленной замены.
  9. Добавьте в образцы Fe2+ в различных концентрациях в диапазоне от 0,05 до 4 мг/л, если Fe2+ не обнаружено на этапе 2.8. Уменьшите Fe3+ с помощью аскорбиновой кислоты перед шагом 2.8, чтобы оценить общее содержание железа в образцах.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Все реакции происходят при комнатной температуре. Ферроиновый комплекс образуется мгновенно после добавления Fe2+. Поэтому датчик отлично работает при комнатной температуре, а время его отклика очень короткое, в пределах нескольких секунд.

3. Проектирование и изготовление прототипа набора E-Eye-Enable POCT

  1. Приобретите LDR, белый светодиод, ЖК-дисплей, микропроцессорный микроконтроллер и резисторы.
  2. Расположите светодиод и LDR друг напротив друга на коробке, напечатанной на 3D-принтере. В коробке находится кювета, в которой ферроин образуется в результате реакции замка и ключа, как показано на рисунке 4А.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используемый здесь светодиод излучает белый свет; его диаметр составляет около 5 мм, а обратное напряжение – 5 В. LDR, используемый в прототипе, имеет сенсорную способность от 5 Ω до 10 кОм. Кроме того, этот LDR эффективно определяет длину волны в диапазоне от 400 до 700 нм, излучаемую используемым здесь светодиодом.
  3. Укомплектуйте схему необходимыми электронными аппаратными компонентами: резисторами (3,3 кОм), соединительными проводами и ЖК-дисплеем (артикул: 11497).
  4. Сопряжение всех вышеперечисленных компонентов с микропроцессором через схему делителя напряжения, изображенную на рисунке 4B. Выполняйте программирование с помощью Arduino IDE v1.8.19. Считывание аналогового сигнала каждого канала на основе LED-LDR с помощью аналоговых выводов (A0-A3).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Микропроцессор выступает в качестве центрального процессора схемы. Оптико-электронная система сбора данных построена с использованием микроконтроллера Arduino Uno (Rev3).
  5. В нем установлены усовершенствованные и сложные электронные фильтры (сопротивление 10 кОм, емкость 1 мкФ) для повышения эффективности датчика за счет подавления шума и увеличения инструментальной силы устройства.
  6. Распечатайте печатную плату (PCB), если дизайн завершен.
  7. Подайте питание в цепь, включив электронный переключатель и записав реакцию датчика с точки зрения сопротивления.
    1. После включения переключателя светодиод излучает свет, который проходит через реакционную камеру. LDR определяет интенсивность проходящего света и создает сопротивление. Соотнесите эту стойкость с концентрацией Fe2+ , присутствующей в образце. Эта корреляция известных образцов обеспечивает калибровку для графика. Включите уравнение, полученное из этого графика калибровки, в производный алгоритм.
  8. Вся принципиальная схема изображена на рисунке 4C. Распечатайте устройство после выполнения всех действий, упомянутых выше в этом разделе. Фактическое изображение изготовленного устройства показано на рисунке 4D.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Печать печатной платы повышает надежность и гарантирует надежную интеграцию электронных аппаратных компонентов.

4. Разработка мультиплексного устройства

ПРИМЕЧАНИЕ: Для обнаружения нескольких аналитов в одном снимке требуется несколько каналов. Для этого устанавливаются четыре канала, которые интегрируются с прототипом.

  1. Создайте четыре прорези в 3D-коробке, чтобы удерживать четыре кюветы в соответствующих положениях. Изоляция каждого слота обнаружения оптическим и электронным способом для минимизации помех заключается в физическом использовании непрозрачных барьеров между каналами, а также электронным способом с помощью отдельных пар светодиод-LDR и отдельных делителей напряжения для предотвращения перекрытия сигнала.
    1. Назначить один слот для конкретного аналита; Не меняйте слоты местами. Слот, назначенный конкретному аналиту, должен содержать кювету, которая содержит только реагенты, специфичные для этого аналита.
  2. Повторите протоколы, упомянутые в шагах с 3.3 по 3.7. Все четыре пары LED-LDR подключены параллельно печатной плате. Одна репрезентативная принципиальная схема и изображение прототипа для шести таких слотов (6 слотов) показаны на рисунке 5.
  3. Включите переключатель для подачи питания в цепь. Все светодиоды загораются; следовательно, LDR воспринимают все четыре аналита одновременно.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Он работает по тому же принципу, что и в примечании к шагу 3.7. Важно отметить стойкость к холостым патронам; Любое изменение, зависящее от внешних факторов, требует повторной калибровки. Прибор изготовлен для УФ-видимой спектроскопии. Тем не менее, оптический источник (LED), используемый в этой работе, охватывает длину волны 400-750 нм. Поэтому любое сложное поглощение в ультрафиолетовом или ближнем инфракрасном диапазоне может не дать точных результатов. Устройство может работать только в своем линейном диапазоне. Следовательно, любой аналит, загрязненный сверх или ниже этого диапазона, не может обеспечить надежный результат.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

В данной рукописи обсуждается протокол проектирования и разработки оптического мультиплексного набора POCT, который обнаруживает Fe, Cr, As и F в различных образцах. На рисунке 1 показаны алгоритмы всей процедуры. Колориметрический химический сенсор разработан на основе результатов моделирования TD-DFT. Этот химический датчик интегрирован с оптическим датчиком собственной разработки. Конечным устройством является цифровой датчик POCT с поддержкой E-Eye. Числ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Проверка набора POCT с поддержкой E-Eye на соответствие золотому стандарту (UV-vis) показана на рисунке 5. Для этого были подготовлены шипованные образцы Fe2+ . Его концентрация была измерена в трех экземплярах с помощью разработанного набора E-Eye POCT и спектрофотометра UV-vis, и было сообщено среднее значение. Оба показания были сравнены, и было замечено, что прибор соответствует золотому стандарту. Результаты доказывают, что разработанный в ст...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Мы благодарим MeitY SWASTHA (грант 5 (1)/2022-NANO), Центр передового опыта ICMR (грант 5/3/8/20/2019-ITR) и правительство Индии за финансовую помощь.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
1,10-фенантролин-моногидрат (C12H8N2. H2O)5144-89-8Sigma Aldrich, Индия
1,5-дифенилкарбазид (C13H14N4O)140-22-7Sigma Aldrich, Индия
Ацетон (C3H6O)67-64-1Sigma Aldrich, Индия
Аммониймолибдатовый тетрагидрат ((NH?)? Мо? O?? и middot; 4H? O)12054-85-2Sigma Aldrich, Индия
Совет разработчиков Arduino UNOSKU  A000066Robu.in
Аскорбиновая кислота (C6H8O6)50-81-7 Himedia, Индия
BreadboardSKU: 24441Robu.in
Хлорид железа (FeCL3)7705-08-0 Himedia, Индия
Гептагидрат сульфата железа (FeSO4.7H2O)7782-63-0 Himedia, Индия
Соляная кислота (HCl)7647-01-0 Финар, Индия
Перекись водорода (H2O2)7722-84-1 Финар, Индия
Провода перемычкиSKU: 44281Robu.in
Светодиодный светодиодSKU: R110553Robu.in
Светозависимый резистор (LDR)SKU: 1496181Robu.in
Жидкокристаллический дисплей (LCD)SKU: 11497Robu.in
Milli-Q вода (18,2  MΩ) 
МультиметрSKU: 1720374Robu.in
Азотная кислота (HNO3)7697-37-2 Финар, Индия
Фосфатный буферный физиологический раствор (PBS)SKU:  M1866Himedia, Индия
Дихромат калия (K2Cr2O7)7778-50-9 Himedia, Индия
ПотенциометрSKU: 790452Robu.in
РезисторыSKU: R225238Robu.in
Гептагидрат арсената натрия (Na2HAsO4· 7H2O)10048-95-0 Himedia, Индия
Дигидрофосфат натрия (NaH2PO4) 13472-35-0 Himedia, Индия
Фторид натрия (NaF)7681-49-4Himedia, Индия
Натрий тиоцианат (NaSCN)540-72-7 Himedia, Индия
Серная кислота (H2SO4)7664-93-9 Финар, Индия
Тринатрий цитрат дигидрат (Na3C6H5O7.2H2O)03-04-6132Himedia, Индия

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

TD DFTE Eye

Похожие статьи