Yöntem makalesi

Çevresel, Biyolojik ve Gıda Numunelerinde Fe, Cr, F ve As'ın Yerinde Miktar Tayini için TD-DFT Kılavuzlu Gelişmiş E-Göz Algılama Tekniği

DOI:

10.3791/68767

⸱

19 Eylül 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

Bu makalede

Özet

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

Bu çalışma, çevresel numunelerde, biyolojik numunelerde ve yiyecek ve içeceklerde Fe, Cr, As ve F'yi tespit etmek için bir E-Eye-Enable POCT cihazı tasarlama ve geliştirme protokolünü tartışmıştır. Yaklaşık 2000 numune test edildi ve sonuçlar altın standart tekniğe uygun.

Özet

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

Bu makale, bir E-Göz özellikli çoğullanmış hasta başı test (POCT) kiti tasarlama ve geliştirmenin adım adım protokolünü göstermektedir. Cihazın donanımının ayrıntılarına girmeden önce sensörlerin temel çalışma prensibini keşfetmek için zamana bağlı yoğunluk fonksiyonu teorisini (TD-DFT) kullanıyoruz. TD-DFT analizi, hedeflenen elementin λmax'ını verir ve bu da analitlerdeki kirleticiyi tespit etmek için en doğru rotayı bulmaya yardımcı olur. TD-DFT analizi Gaussian 09 ve Gauss View 5.0 yazılımında gerçekleştirilir. λmax değeri ve Işık Yayan Diyot/Işığa Bağımlı Direnç (LED/LDR) prensibine dayalı olarak elektronik göz (E-Eye) adı verilen bir optik sensör geliştirilmiştir. E-Eye cihazı, bir LED, birbirinin karşısına yerleştirilmiş bir LDR ve merkezi bir mikroişlemci görevi gören bir voltaj bölücü boyunca bir mikroişlemci ile arayüzlenmiş bir sıvı kristal ekran (LCD) dahil olmak üzere diğer donanımlarla üretilmiştir. Başlangıçta, tüm numuneler (çevresel, biyolojik ve yiyecek ve içecekler), sulu fazda hedeflenen tüm elementleri çıkarmak için önceden işlendi. Belirtilen reaktörde spesifik (kilit ve anahtar) reaksiyon gerçekleştirilmiş ve görüntüleme ünitesinde gözlemlenen okumalar kaydedilmiştir. Fe, Cr, As ve F'yi aynı anda tespit etmek için yerli olarak çoğullanmış bir cihaz da üretilmiştir. Sensörlerin etkinliği 2000'den fazla numuneye karşı test edilmiş ve altın standart yöntemlerle karşılaştırılmıştır. Çevresel, biyolojik ve yiyecek ve içecek numunelerinde %95,3, %94,7 ve %95,4 doğrulukla iyi bir kesinlik doğrulanmıştır. Arsenik sensörünün performansının Atomik Absorpsiyon Spektrometresi (AAS) sonuçlarıyla karşılaştırıldığını ve diğer tüm sonuçların, yani demir, krom ve florür sensörlerinin UV-Vis analizinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırıldığını belirtmek önemlidir.

Giriş

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

Ağır metaller, insanoğlu için gerekli olan Dünya ekosisteminin korunmasında önemli bir rol oynamaktadır1. Aksine, son dönemde endüstriyel büyüme ve doğal kaynakların insan tarafından kullanılması, ağır metallerin canlıların besin zincirini ve diğer temel mallarını kirletmesine yol açmış ve bu da modern uygarlık için ciddi bir alarm olmuştur. Canlı ve cansız bedenlerdeki biyolojik birikimlerinden ve bozunamazlığın doğasından kaynaklanmaktadır2. Bu bağlamda, ABD Hükümeti, gıda kalitesini izlemek için uzun süredir bebek mamaları da dahil olmak üzere gıda sınıfını sürekli olarak değerlendirmektedir. Toplamda, ülkeleri genelinde 22'den fazla elementi ve 3200'den fazla örneği analiz ettiler3.

Çoğu durumda, ağır metal seviyeleri, DSÖ ve ABD Gıda ve İlaç İdaresi ve Temmuz 2022 Toplam Diyet Çalışma Raporu (TDS) tarafından önerilen eşik sınırını aştı. Benzer bir sonuç, Avrupa'nın su kütleleri ve toprakları 4,5 için de çıkarılabilir. Toprak ve suya ek olarak, ağır metallerin güçlü varlığı yaşamı tehlikeye atmaktadır 6,7. Hindistan'ın nehir bazlı bir ülke olduğunu ve yakın zamanda yapılan bir araştırmanın nehirlerin %43'ünden fazlasının endişe verici düzeyde ağır metal ve diğer kirleticilere sahip olduğunu gösterdiğini belirtmek önemlidir 8,9. Bu program8'de, 27.5 crore'dan fazla çocukta Kan Kurşun Düzeylerinin 5 μg/dL'den fazla olduğu kabul edildi ve bu da güvensiz olarak kabul edildi.

Yukarıdaki tartışmalar, küresel toplumun refahı için ağır metallerin ve diğer tehlikeli kimyasalların sürekli izlenmesi ihtiyacını açıklamaktadır. UV-Vis spektroskopisi, AAS, Endüktif Eşleşmiş Plazma-Atomik Emisyon Spektroskopisi (ICP-AES) ve Endüktif Eşleşmiş Plazma-Kütle Spektrometrisi (ICP-MS) vb. gibi ağır metallerin tespiti ve konsantrasyon ölçümü için çeşitli teknikler vardır (ABD Gıda ve İlaç İdaresi, Toplam Diyet Çalışma Raporu (TDS), Temmuz 2022)3. Üst düzey ekipman ve vasıflı iş gücünün gerekliliği, ağır metallerin hızlı ve yerinde tespiti için bu yöntemleri kısıtlamaktadır. Yukarıdaki paragrafta tartışılan durum, ağır metaller için toprak, hava ve su kalitesinin izlenmesine yardımcı olabilecek, kullanıcı dostu, hızlı ve doğru bir yerinde tespit kiti gerektirmektedir.

Ağır metaller için yukarıda bahsedilen yerinde tespit kitlerini10,11 geliştirmek için birçok girişimde bulunulmuştur. Bunlardan bazıları 12,13,14,15 başarılı olmuş, bazıları ise DSÖ tavsiyelerinin gerekliliklerini yerine getirememiştir. Bunlardan birkaçi, analitlerin 16,17,18 konsantrasyonlarinin dijital degerlerini gösteren dijital sensörlerdir. Geri kalanlar, gebelik testi için kullanılan kağıt bazlı mikroakışkan sensörler gibi kalitatif sensörlerdir ve numune19'da hedeflenen kirleticilerin varlığını ve yokluğunu işaretleyebilir. Piyasada ticari olarak temin edilebilen ve su ve diğer numunelerde ağır metallerin varlığını test etmek için rutin olarak kullanılabilecek farklı marka, marka ve modellerden oluşan çeşitli kitler bulunmaktadır. Bu kitler genellikle algılama aralığı, numune başına maliyet, hassasiyet, operasyonel güvenilirlik ve gerekli teknik beceriler gibi temel performans göstergelerine göre derecelendirilir. Örneğin, kromun tespiti için çoğu ticari kit 1 mg/L'ye kadar ve birkaçı 10 mg/L'ye kadar (Kemetrik20) tespit aralıkları sunar, ancak tespit limitleri (LOD'ler) ve minimum sayıları tipik olarak Dünya Sağlık Örgütü'nün (WHO) güvenli içme suyu için tavsiye ettiği eşiğin üzerindedir. Örneğin, HACH21 kiti (5-100) ve (50-1000) mg/L, geniş bir aralığı kapsarken, düşük konsantrasyonlarda (en az sayı ≥5 mg/L) zayıf hassasiyet gösterir ve numune başına 125,95 maliyeti figure-introduction-1vardır, bu da temel deneysel beceriler ve renk değişiminden görsel yorumlama gerektirir. Hanna Hi384622 ve Himedia23 kitleri, daha uygun fiyatlı olmalarına rağmen (figure-introduction-2numune başına sırasıyla 51,00 ve figure-introduction-3375,00), Hanna kitinin en düşük sayısı 0,2 mg/L ile sınırlı hassasiyet sergiler. Merck24 ve Chemetrics20 kitleri dijital okumalar kullanır ve orta ila yüksek tespit aralıklarını (2-10 mg/L) kapsar. Yine de numune başına maliyetleri önemli ölçüde daha yüksektir (823.20'ye kadarfigure-introduction-4) ve hassasiyetleri mevzuata uygunluk açısından optimalin altında kalmaktadır. BARC kiti25, kullanıcı dostu ve su güvenliğinin hızlı saha sınıflandırması için uygun olmakla birlikte, nispeten yüksek bir algılama limitinden (≥0,05 mg/L) ve niceliksel değil niteliksel çıktıdan muzdariptir.

Benzer şekilde, florür tespiti için, Aquasol AE21026 (0,1-2 mg/L ve 120 mg/L aralıkları) ve Himedia27 (0-2,5 mg/L) kitleri gibi ticari olarak temin edilebilen kitler, numune başına sırasıyla 6 ve figure-introduction-511,60 ile figure-introduction-6en uygun fiyatlı kitler arasındadır, ancak belirtilmemiş hassasiyet limitleri ve numuneyi analiz etmek için geçen süre ile görsel kolorimetriye dayanır. Orta sınıf seçenekler arasında Merck Colourimetric28 (algılama aralığı 0-0.8 mg/L, figure-introduction-7numune başına 292.20) ve Fotometrik29 kitleri (algılama aralığı 0.1-2.5 mg/L, figure-introduction-8numune başına 456) yer alır ve ikincisi daha yüksek maliyetlerle dijital okumalar sunar. Hanna Hi73930 (tespit aralığı 20-20 mg/L, figure-introduction-9numune başına 362) ve Prerana Laboratories31 (figure-introduction-10numune başına 150) gibi küçük karmaşık sistemler, tespit süresi (Hanna için ≥1 dakikaya karşı Prerana için 10-30 dakika) ve analitik hassasiyet arasındaki dengeleri gösterir, ancak her ikisi de açık hassasiyet spesifikasyonlarından yoksundur. Mevcut kitler, 20 mg/L'ye kadar orta aralıkta tehlikeye atılan tespit limitleri ile ya ödün verilen hassasiyetle uygun fiyatlılığa ya da yüksek maliyetlerle geliştirilmiş hassasiyete öncelik verir.

Ticari olarak temin edilebilen demir tespit kitleri, hassasiyet, maliyet ve operasyonel karmaşıklık arasında önemli dengeler sağlayan çeşitli performans özellikleri sergiler. AE30332 , görsel kolorimetrik bir teknik kullanarak numune başına 14'te figure-introduction-110-2 mg/L algılama aralığı sunar. Benzer şekilde, demir tespiti için bu tür başka bir kit olan HI383433, en az 1 mg/L sayım ve ≥ 4 dakikalık bir tespit süresi ile 0-5 mg/L'yi (figure-introduction-12numune başına 52) kapsar ve temel deneyler yapma becerisi gerektirir. Insa tech34 , 50-800 mg/L aralığında yüksek konsantrasyon tespiti uygulamasına hizmet eder, ancak yüksek maliyeti ve hassasiyeti (≥50 mg/L) ve 75 dakikalık tespit süresi ile genel amaçlı uygulamasını sınırlar. Prerana Laboratuvarları kiti35 (0-1 mg/L algılama aralığı, figure-introduction-13numune başına 28) düşük konsantrasyon algılamayı (0,1 mg/L hassasiyet) iyileştirir ancak 30 dakikalık bir analiz süresi alır. Hach'ın test şeritleri36 (0-5 mg/L algılama aralığı, belirtilmemiş maliyet) 0,15 mg/L minimum sayım elde eder ancak öznel renk yorumuna dayanır.

Ticari arsenik tespit kitleri analitik performans, maliyet ve operasyonel karmaşıklık açısından önemli değişkenlik göstermektedir. BARC saha kiti37 (0-0,01 mg/L, figure-introduction-14numune başına 5-10), toksik olmayan bir reaktif ve 10 dakikalık kolorimetrik analiz kullanır, kırsal erişilebilirlik sunar ancak öznel görsel karşılaştırmaya dayanır. AE40838 (0-0,1 mg/L/0-3 mg/L, figure-introduction-15numune başına 77,40), hassasiyeti belirtilmemiş olsa da taşınabilirliğe ve APHA uyumluluğuna öncelik verir. Lovibond kiti39 (0-0,5 mg/L, figure-introduction-16numune başına 500, 5 μg/L'de arseniği tespit eden, DSÖ yönergelerini karşılayan, güvenli, sülfür girişimine dayanıklı bir protokol aracılığıyla daha yüksek hassasiyet elde edilir. Cole-Parmer ITS kit40 (2 μg/L tespit limiti, figure-introduction-17numune başına 480) ve Palintest Visual Kit41 (200 test/560 £, numune başına ~figure-introduction-18280) gibi birinci sınıf sistemler, EPA doğrulaması veya üçlü filtre sistemleriyle gelişmiş hassasiyet sunar ancak yüksek maliyetlere neden olur.

Krom, florür, demir ve arsenik için ticari olarak temin edilebilen tespit kitleri, bunların saha ortamlarında kullanımını engelleyen kritik hassasiyet, maliyet ve operasyonel güvenilirlik sınırlamaları sergiler. Krom için, HACH (en az sayı ≥5 mg/L) ve Hanna Hi3846 (≥0.2 mg/L) gibi ticari kitler, test başına 0.05-51 arasında değişen figure-introduction-19maliyetlerle ve hataya açık görsel yorumlamaya dayanarak DSÖ sınırının (823 mg/L) üzerinde çalışır. Benzer şekilde, AE210 (0,1 mg/L çözünürlük) ve Fotometrik (figure-introduction-20numune başına 456) gibi florür kitleri, uygun fiyat veya hassasiyete öncelik verir ancak hızlı, alt DSÖ uyumlu tespitten yoksundur. Demir tespiti, yüksek minimum sayımlardan (HI3834: 1 mg/L; şeritler: 0,15 mg/L) ve uzun analiz sürelerinden (Prerana: 30 dakika) muzdaripken, BARC (10 μg/L LOD) ve Lovibond (5 μg/L) gibi arsenik kitleri 70 μg/L'nin altında güvenilirlik boşluklarıyla ve yüksek maliyetlerle (500/test'e kadar figure-introduction-21 ) karşı karşıyadır. Önerilen çoklu analit cihazı, ultra hassas tespit, maliyet etkinliği, kullanıcı dostu olma ve hızlı ve yerinde analiz konularında önemli dönüştürücü ilerlemeler yoluyla bu boşlukları gidermektedir. Hassasiyet-maliyet dengesi arasında köprü kurarak ve karmaşık matrislerde sağlam performans sağlayan bu cihaz, özellikle uygun fiyat, hassasiyet ve kullanım kolaylığının çok önemli olduğu düşük kaynaklı bölgelerde, sahada konuşlandırılabilir su kalitesi izlemede uzun süredir devam eden literatür boşluklarını ve boşlukları giderir. Dijital bakım noktası işlevselliği ile uyumluluk derecesini tespit etme yeteneği, parçalanmış, analite özgü ticari çözümlerin sınırlamalarının üstesinden gelerek çevre ve sağlık hizmetleri analitiğinde bir paradigma değişikliğini temsil ediyor.

Mevcut senaryoda toplum, çeşitli kirleticilerin gerçek konsantrasyonunu yayınlamak için bir sensör talep etmektedir. Mevcut çalışma ve hasta başı test (POCT) kitleri bu gereksinimi karşılamaktadır. Bu nedenle, birden fazla kirleticiyi tespit edebilen, UV-Vis, AAS veya ICP-MS vb. gibi üst düzey ekipmanlarla karşılaştırılabilir performansa sahip sağlam bir POCT kitine ihtiyaç vardır. Bu çalışma, amaca hizmet edecek sağlam bir yöntem ve POCT kitleri geliştirmeyi amaçlamaktadır. Burada, çevresel, biyolojik ve yiyecek ve içecek numunelerinde farklı ağır metalleri tespit etmek için bir yöntem ve bir POCT kiti geliştirilmiştir. Numunelerin ön işleme tekniği, Fe, As, Cr ve F'yi ölçmek için yerel olarak geliştirilen optik sensör kullanılarak benimsendi ve uygulandı. Optik sensör, LED-LDR'nin çalışma prensibine göre geliştirilmiştir; bu nedenle E-Eyes özellikli POCT kiti olarak adlandırılır. Bu çalışmada bildirilen geliştirilmiş çoğullanmış POCT cihazı, özellikle kaynakların sınırlı olduğu ortamlarda, yerinde su kalitesinin izlenmesi için güçlü pratik uygulanabilirlik göstermektedir. Her tespit yuvası, seçici reaktifler ve optimize edilmiş koşullar kullanan belirli bir analite sahiptir. Fe2+ tespiti, 0,017 mg/L tespit limiti (LOD) ile 0,01-5,0 mg/L konsantrasyon aralığında etkili bir şekilde çalışır. Difenil karbazid kimyasını kullanan Cr kanalı, 10-500 μg/L'lik bir dinamik aralığı kapsar ve 10,78 μg/L'lik bir LOD'ye ulaşır. Fe-SCN kompleks renk giderme yöntemiyle florür algılama, 0,46 mg/L'lik bir LOD ile 0,5-47,5 mg/L arasında güvenilir tespit sağlar. Molibden mavisi reaksiyonuna dayalı olarak, arsenik tespiti, 8 μg/L'lik bir LOD ile 5-100 μg/L aralığında etkilidir. Tüm reaksiyonlar oda sıcaklığında (25 ± 2 °C) gerçekleştirilir ve tüm test, gelişmiş enstrümantasyon veya kalifiye personel gerektirmeden 5 dakikadan daha kısa sürede tamamlanır. Bu özellikler, yöntemin uygulanabilirliğini ve DSÖ su kalitesi standartlarına uygunluğunu doğrulamaktadır. Reaksiyonu laboratuvarda gerçekleştirmeden önce, her analit için spesifik kimyasal reaksiyonları (kilit ve anahtar) oluşturmak için zamana bağlı yoğunluk fonksiyonu teorisi (TD-DFT) benimsenmiştir. Bu TD-DFT analizi aynı zamanda reaktifin ilgili olası λmax'ını ve sensörün temel omurgası olan ve sensörün olası etkinliğini sağlayan reaksiyonun ana ürününü de tahmin eder. E-Eyes özellikli POCT kiti için bir prototip geliştirildi ve prototip bir cihaza çevrildi. Tüm iş akışı Şekil 1'de gösterilmiştir. Cihaz 2000'den fazla numuneye karşı test edilmiş ve performansı UV-VIS, ICP-MS ve AAS kullanılarak elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Her durumda, cihaz performansları sırasıyla %1,25 ve %6,25'lik minimum ve maksimum sapmalarla oldukça tatmin edicidir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. Reaksiyonun algılama mekanizmasının hesaplanması ve doğrulanması

  1. Hedeflenen analitin temel kimya prensibine göre kilit ve anahtar reaksiyonunu seçin.
  2. Hedeflenen analiti içeren elektronik hesaplamada daha doğru sonuçlar elde etmek için Becke, 3 parametreli, Lee-Yang-Parr (B3LYP) hibrit yöntemini ve Los Alamos Ulusal Laboratuvarı 2 Çift ζ (LanL2DZ) temel seti14'ü kullanarak tüm hesaplamaları gerçekleştirmek için Gauss 09 programını kullanın. Burada protokol yalnızca diğer tüm analitler için geçerli olan demir (Fe) için tartışılmaktadır.
  3. Çözücü etkisini hesaba katmak için polarize edilebilir süreklilik (PCM) modeliyle kendi kendine tutarlı reaksiyon alanı (SCRF) yaklaşımını tanıtın. Bu protokolde suyun bir çözücü olduğu varsayılmaktadır.
  4. geom=connectivity fonksiyonunu kullanarak moleküler geometriyi optimize edin. Optimizasyon sürecinde açık bağlanma bilgilerinin korunmasına yardımcı olur.
  5. 1.2 ve 1.3'te belirtilen adımları kullanarak molekülün optimize edilmiş yapısını hesaplamak için gereken temel durum enerjisini hesaplayın.
  6. Uyarılmış durum elektronik geçişini Zamana Bağlı Kendinden Tutarlı Alan (TD-SCF) yöntemi (ns = 60)14 ile elde edin. UV absorpsiyon spektrumlarını elde etmek için aynı yöntemi kullanın.
  7. B3LYP fonksiyonel ve LanL2DZ temel setini kullanarak temel durum DFT hesaplamalarıyla molekülün geometrisini optimize edin.
  8. Şekil 2A,B'de gösterildiği gibi 1,10-fenantrolin ve Fe2+'nın optimize edilmiş yapısını elde edin.
  9. Benzer şekilde, Şekil 2C'de sunulduğu gibi 6 F- atomu ile çevrili merkezi atom olarak Fe3+ ile oktahedral bir yapıya sahip olan heksafloroferratın (FeF 6) molekül yapısını simüle edin.
    NOT: Reaksiyon, yani ferroin oluşumu, Fe2+ için spesifiktir. Bu nedenle başlangıçta Fe3+ , aşağıdaki reaksiyona göre Fe2+ 'ya düşürülmelidir.
    figure-protocol-1
    Fe2+ , 1,10-fenantrolin ile hızlı bir şekilde reaksiyona girer ve çıplak gözle görülebilen turuncu renkli bir kompleks olan ferroin oluşturur (aşağıdaki reaksiyona bakın). Bu reaksiyon, Şekil 2'de gösterildiği gibi sensörün kalbidir.

2. Kolorimetrik kimyasal sensörün geliştirilmesi

  1. Yukarıdaki reaksiyon için gerekli olan analitik dereceli kimyasalları temin edin.
  2. Eşit hacimlerde trisodyum sitrat dihidrat, askorbik asit ve 1,10-fenantrolini şeffaf bir cam kültür tüpüne aktarın.
    1. Deneyde, her reaktandan 1 mL, 5 mL'lik şeffaf bir cam kültür tüpüne alındı. Her reaktiften 1 mL (1 mL askorbik asit, 1 mL trisodyum sitrat ve 1 mL fenantrolin) ekledikten sonra 2 mL stok ekleyin. 5 mg/L stok eklenirse, nihai konsantrasyon 2 mg/L'dir (C1V1 = C2V2) ve nihai hacim 5 mL'dir.
  3. Aynı zamanda bir maskeleme maddesi olarak da işlev gören askorbik asit kullanarak reaksiyon ortamının pH'ını elde etmek için reaktiflerin oranını optimize edin. 510 nm dalga boyunda maksimum absorbansta 2 pH elde etmek için reaktifleri optimize edin.
  4. 1,10-fenantrolin ayrıca alkali bir ortamda bakır ile sarı renkli bir kompleks oluşturduğundan, bakırdan kaynaklanan paraziti ortadan kaldırmak için bir maskeleme maddesi kullanın.
    NOT: 1,10-fenantrolin ayrıca alkali bir ortamda bakır ile sarı renkli bir kompleks oluşturduğundan, bakır reaksiyona müdahale edebilir. Bu nedenle, ortamın pH'ını korumak çok önemlidir. Askorbik asit amaca hizmet eder. Bununla birlikte, pH zamanla değişebilir ve 1,10-fenantrolin nitrojeni bu düşük pH'ta protonlanabilir. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, pH'ın korunmasına ve 1,10-fenantrolinin protonasyonunun önlenmesine yardımcı olan trisodyum sitrat tamponu kullanılır.
  5. FeSO 4.7H2O'dan 0.05 mg/L ila 4.0 mg/L arasında değişen farklı konsantrasyonlarda Fe2+ çözeltilerini hazırlayın.
  6. Fe2+'nın bir göstergesi olarak turuncu renkli ferroin veren Şekil 3A'da gösterilen reaksiyon karışımına bu çözeltiden 1 mL ekleyin (Şekil 3B).
    NOT: Burada, stok çözeltisinin reaktif karışımına eklenmesi, turuncu rengi üreten görsel kontrol noktasıdır. 1,10-fenantrolin Fe2+ için seçici olduğundan ve Fe3+ ile bir kompleks oluşturmadığından, indirgeyici ajanlara özellikle dikkat edilmelidir.
  7. Ham numuneleri toplayın ve Whatman gözenek boyutunda bir kağıt, 20-25 μm filtre kağıdı kullanarak filtreleyin. Gerekirse filtrasyon sonrası seyreltme yapın14.
    1. Su örneklerini doğrudan çevresel kaynaklardan (örneğin Brahmaputra Nehri) önceden temizlenmiş, asitle yıkanmış yüksek yoğunluklu polietilen şişelerde toplayın. Şişeleri hemen kapatın ve 20-25 μm gözenek boyutunda bir Whatman filtre kağıdı kullanarak (2 saat içinde) süzün. Çivili DI suyu dışındaki numunelerden tortuları ve rengi çıkarmak için bir ön işlem gerçekleştirin (öncelikle çevresel numuneler; bkz. Ek Dosya 1).
  8. Mevcut ölçümde altın standart teknik olarak kabul edilen 250-750 nm dalga boyu aralığında UV-Vis spektroskopisi kullanarak numunelerdeki demir miktarını ölçün.
    1. Numuneleri 1 cm yol uzunluğuna sahip kuvars küvetlere yerleştirin. Absorbans ölçümlerini, her analitin tepe absorbansına karşılık gelen belirli dalga boylarında üç kopya halinde alın. Aynı suyu içeren bir boşluk kullanarak taban çizgisi düzeltmesi gerçekleştirin. Sonuçların tutarlılığını ve güvenilirliğini sağlamak için tüm ölçümleri standart laboratuvar koşullarında (tarama hızı: orta, ölçüm tipi: absorbans, yarık genişliği: 5,0 L, dedektörler: doğrudan) oda sıcaklığında gerçekleştirin.
      NOT: UV-vis spektroskopisi için kullanılan Quratz küvetleri, doğru absorbans ölçümleri sağlamak için optik olarak aynı ve şeffaf olmalıdır. Görünür herhangi bir leke, kalıntı veya çizik önemli hatalara neden olabilir ve derhal değiştirilmesini gerektirebilir.
  9. Adım 2.8'de Fe2+ bulunmazsa, numuneleri 0,05 ila 4 mg/L arasında değişen farklı konsantrasyonlarda Fe2 + ile yükseltin. Numunelerdeki toplam demiri tahmin etmek için adım 2.8'den önce askorbik asit kullanarak Fe3+ 'yı azaltın.
    NOT: Tüm reaksiyonlar oda sıcaklığında gerçekleşir. Ferroin kompleksi, Fe2+ eklendikten hemen sonra oluşur. Bu nedenle, sensör oda sıcaklığında iyi çalışır ve tepki süresi birkaç saniye içinde çok kısadır.

3. E-Eye-Enable POCT kitinin prototipinin tasarımı ve imalatı

  1. LDR, beyaz bir LED, bir LCD, bir mikroişlemci mikrodenetleyici ve dirençler satın alın.
  2. 3 boyutlu baskılı bir kutu boyunca bir LED ve bir LDR'yi birbirinin karşısına yerleştirin. Kutu, Şekil 4A'da gösterildiği gibi, kilit ve anahtar reaksiyonu yoluyla ferroinin oluşturulduğu bir küvet tutar.
    NOT: Burada kullanılan LED beyaz ışık yayar; çapı yaklaşık 5 mm'dir ve ters voltajı 5 V'tur. Prototipte kullanılan LDR, 5 Ω ila 10 kΩ arasında bir algılama yeteneğine sahiptir. Ayrıca, bu LDR, burada kullanılan LED tarafından yayılan 400 ila 700 nm arasında değişen dalga boyunu etkili bir şekilde algılar.
  3. Devreyi gerekli elektronik donanım bileşenleriyle tamamlayın: dirençler (3.3 kΩ), bağlantı kabloları ve bir LCD (SKU: 11497) ünitesi.
  4. Yukarıdaki tüm bileşenleri, Şekil 4B'de gösterilen bir voltaj bölücü devre boyunca bir mikroişlemci ile arayüzleyin. Arduino IDE v1.8.19'u kullanarak programlama gerçekleştirin. Analog pinleri (A0-A3) kullanarak her kanalın LED-LDR tabanlı analog sinyalini okuyun.
    NOT: Mikroişlemci, devrenin merkezi işlem birimi olarak işlev görür. Optoelektronik veri toplama sistemi, bir Arduino Uno (Rev3) mikrodenetleyici kullanılarak oluşturulmuştur.
  5. Gürültüyü bastırarak ve cihazın enstrümantal gücünü artırarak sensörün verimliliğini artırmak için gelişmiş ve sofistike elektronik filtreleri (direnç 10 kΩ, kapasitans 1 μF) barındırın.
  6. Tasarım tamamlanmışsa baskılı devre kartını (PCB) yazdırın.
  7. Elektronik anahtarı açarak ve sensörün direnç cinsinden tepkisini kaydederek devreye güç sağlayın.
    1. Anahtarı açtıktan sonra LED, reaksiyon odasından geçen ışık yayar. LDR, iletilen ışığın yoğunluğunu algılar ve bir direnç verir. Bu direnci numunede bulunan Fe2+ konsantrasyonu ile ilişkilendirin. Bilinen örneklerin bu korelasyonu, çizim için bir kalibrasyon sağlar. Bu kalibrasyon grafiğinden elde edilen denklemi türetilmiş algoritmaya dahil edin.
  8. Tüm devre şeması Şekil 4C'de gösterilmiştir. Bu bölümde yukarıda belirtilen tüm adımları tamamladıktan sonra cihazı yazdırın. Üretilen cihazın gerçek görüntüsü Şekil 4D'de gösterilmektedir.
    NOT: Devre kartının yazdırılması güvenilirliği artırır ve elektronik donanım bileşenlerinin sağlam bir şekilde entegre edilmesini garanti eder.

4. Çoğullanmış bir cihazın geliştirilmesi

NOT: Tek bir atışta birden fazla analiti tespit etmek için birden fazla kanal gereklidir. Bunun için dört kanal kurulur ve prototipe entegre edilir.

  1. Dört küveti ilgili konumlarında tutmak için 3D kutuda dört yuva oluşturun. Paraziti en aza indirmek için her algılama yuvasını optik ve elektronik olarak, kanallar arasındaki opak bariyerlerle fiziksel olarak ve sinyal çakışmasını önlemek için ayrı LED-LDR çiftleri ve ayrı voltaj bölücüler kullanarak elektronik olarak izole edin.
    1. Belirli bir analite bir yuva atayın; yuvaları değiştirmeyin. Belirli bir analite atanan yuva, yalnızca o analite özgü reaktiflere sahip küveti tutmalıdır.
  2. 3.3 ila 3.7 adımlarında belirtilen protokolleri tekrarlayın. Dört LED-LDR çiftinin tümü devre kartına paralel olarak bağlanır. Bu tür altı yuva (6 yuva) için prototipin temsili bir devre şeması ve görüntüsü Şekil 5'te gösterilmektedir.
  3. Devreye güç sağlamak için anahtarı açın. Tüm LED'ler yanar; sonuç olarak, LDR'ler dört analitin tümünü aynı anda algılar.
    NOT: Adım 3.7'deki notta tartışılanla aynı prensipte çalışır. Boş dirence dikkat etmek önemlidir; Dış etkenlere bağlı herhangi bir değişiklik yeniden kalibrasyonu gerektirir. Cihaz, UV-vis spektroskopisi için üretilmiştir. Ancak bu çalışmada kullanılan optik kaynak (LED) 400-750 nm dalga boyunu kapsamaktadır. Bu nedenle, herhangi bir karmaşık UV veya yakın kızılötesi absorpsiyon doğru sonuçlar vermeyebilir. Cihaz yalnızca doğrusal aralığında çalışabilir. Bu nedenle, bu aralığın üzerinde veya altında kontamine olmuş herhangi bir analit güvenilir bir çıktı sağlayamaz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Bu makale, çeşitli örneklerde Fe, Cr, As ve F'yi tespit eden optik çoğullanmış bir POCT kiti tasarlama ve geliştirme protokolünü tartışmaktadır. Şekil 1 , tüm prosedürün algoritmalarını göstermektedir. Kolorimetrik kimyasal sensör, TD-DFT simülasyonunun sonuçlarına göre geliştirilmiştir. Bu kimyasal sensör, yerli olarak geliştirilmiş bir optik sensörle entegre edilmiştir. Son cihaz, E-Göz Özellikli bir POCT dijital sensördür. Kolorimetrik kimyasal sensörün s...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

E-Eye özellikli POCT kitinin altın standarda (UV-vis) göre doğrulanması Şekil 5'te gösterilmektedir. Bu amaçla çivili Fe2+ numuneleri hazırlandı. Konsantrasyonu, geliştirilen E-Eye POCT kiti ve UV-vis spektrofotometresi ile üç kopya halinde ölçüldü ve ortalama değer rapor edildi. Her iki okuma karşılaştırıldı ve cihazın altın standardına uygun olduğu gözlemlendi. Sonuçlar, yerli olarak geliştirilen E-Eye-Enable POCT kitinin su numunelerindeki topl...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

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

Mali yardım için MeitY SWASTHA'ya (Hibe 5 (1)/2022-NANO), ICMR Mükemmeliyet Merkezi'ne (Hibe 5/3/8/20/2019-ITR) ve Hindistan Hükümeti'ne teşekkür ederiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1,10-fenantrolin monohidrat (C12H8N2. H2O)5144-89-8Sigma Aldrich, Hindistan
1,5-difenilkarbazid (C13H14N4O)140-22-7Sigma Aldrich, Hindistan
Aseton (C3H6O)67-64-1Sigma Aldrich, Hindistan
Amonyum molibdat tetrahidrat ((NH?)? Mo? O?? · 4H mi? O)12054-85-2Sigma Aldrich, Hindistan
Arduino UNO geliştirme kartıSKU  A000066Robu.in
Askorbin asit (C6H8O6)50-81-7 Himedia, Hindistan
BreadboardSKU: 24441Robu.in
Ferrik klorür (FeCL3)7705-08-0 Himedia, Hindistan
Demir sülfat heptahidrat (FeSO4.7H2O)7782-63-0 Himedia, Hindistan
Hidroklorik asit (HCl)7647-01-0 Finar, Hindistan
Hidrojen peroksit (H2O2)7722-84-1 Finar, Hindistan
Jumper telleriSKU: 44281Robu.in
Işık yayan diyot (LED)SKU: R110553Robu.in
Işık bağımlı direnç (LDR)SKU: 1496181Robu.in
Sıvı kristal ekran (LCD)SKU: 11497Robu.in
Milli-Q su (18.2  MΩ) 
MultimetreSKU: 1720374Robu.in
Nitrik asit (HNO3)7697-37-2 Finar, Hindistan
Fosfat Tampon Salini (PBS)SKU:  M1866Himedia, Hindistan
Potasyum dikromat (K2Cr2O7)7778-50-9 Himedia, Hindistan
PotansiyometreSKU: 790452Robu.in
DirençlerSKU: R225238Robu.in
Sodyum arsenat heptahidrat (Na2HAsO4· 7H2O)10048-95-0 Himedia, Hindistan
Sodyum dihidrojen fosfat (NaH2PO4) 13472-35-0 Himedia, Hindistan
Sodyum florür (NaF)7681-49-4Himedia, Hindistan
Sodyum tiosiyanat (NaSCN)540-72-7 Himedia, Hindistan
Sülfürik asit (H2SO4)7664-93-9 Finar, Hindistan
Trisodyum sitrat dihidrat (Na3C6H5O7.2H2O)03-04-6132Himedia, Hindistan

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

TD DFT AnaliziE Eye Sens rHasta Ba TestleriOptik Sens roklu Tespitevresel Numune AnaliziUV G r n r B lge SpektroskopisiDemir Miktar BelirlemeArsenik TespitiI a Ba ml Diren

İlgili makaleler