Φασμαφωτόμετρο ενσωματωμένο σε smartphone: Χαμηλού κόστους, ανοιχτού κώδικα, εναλλακτική λύση αντί του εμπορικού φασματοφωτόμετρου

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

            Η Φασματοφωτομετρία είναι η τεχνική στην οποία χρησιμοποιείται φως για τη μέτρηση της συγκέντρωσης χημικών ουσιών. Το φασματοφωτόμετρο είναι όργανο το οποίο μετρά την ένταση μιας επιλεγμένης συχνότητας ακτινοβολίας. Άρα μετρώντας την διαφορά της ποσότητας του φωτός, με και χωρίς τα προς μέτρηση μόρια μπορούμε να εκτιμήσουμε την ποσότητα τους. Ο νόμος Lambert-Beer σχετίζεται με την ποσότητα (ένταση) του φωτός που προσπίπτει σε ένα διάλυμα, και την ποσότητα του φωτός που απορροφάται από αυτό, σε σχέση με την περιεκτικότητα σε διαλυμένη ουσία (Pereira & Hosker, 2019).

            Το Φασματοφωτόμετρο χρησιμοποιείται κυρίως στην ανάλυση δομής μορίων (οργανικών και ανόργανων), ανάλυση δραστικών ουσιών και μεταβολιτών σε βιολογικά υγρά, ανακάλυψη καινούργιων φαρμάκων, στοιχειακή ανάλυση. Τα κύρια πλεονεκτήματα του είναι η υψηλή ακρίβεια και η υψηλή ευαισθησία και εξειδίκευση. Τα κύρια μειονεκτήματα του είναι το υψηλό κόστος αγοράς και λειτουργίας, η υψηλή εξειδίκευση του χρήστη, δεν χρησιμεύει σε αναλύσεις ρουτίνας ελέγχου ποιότητας και για φάσματα δύσκολα στην ερμηνεία (Hirayama & Steer, 2010; Pereira & Hosker, 2019).

ΣΚΟΠΟΣ

            Κατά συνέπεια σκοπός είναι να κατασκευαστεί ένα φασφατοφωτόμετρο απλό, φθηνό (Albert, Todt & Davis, 2012) λειτουργικό, ανοιχτού κώδικα, φορητό, να μην απαιτεί καμία εξειδίκευση στην κατασκευή του και να μπορεί να προσαρμοστεί από τους χρήστες με τρόπους που να ταιριάζουν σε διαφορετικές εφαρμογές (Pereira & Hosker, 2019).

ΜΕΣΑ – ΥΛΙΚΑ

            Στο συγκεκριμένο άρθρο χρησιμοποιήθηκαν τα εξής μέσα και υλικά, 3D εκτυπωτης [RepRap (Replicating Rapid prototyper) project], Ultimaker Cura software, Ασύρματο Φασματοφώμετρο PASCO 2600, Φασματοφώμετρο Jenway 6300, Φασματοφώμετρο Jenway 7310, οπτικό καλώδιο (PS-2601), με τον ανιχνευτή 1 cm μακριά από την πηγή φωτός, κυψελίδες, διάλυμα Bradford (Pereira & Hosker, 2019).

Περιγραφή του φασματοφωτόμετρου ενσωματωμένου σε smartphone

Το Σχήμα 1 δείχνει το βύσμα της κυψελίδας και τους χώρους όπου ενσωματώνεται η μπαταρία LED και η μπαταρία CR2032. Και τα δύο μέρη είναι τρισδιάστατα τυπωμένα σε πολυγαλακτικό οξύ (PLA). Η θήκη της κυψελίδας έχει ένα λαστιχένιο κομμάτι με μια οπή (Εικ. 1Α), επιτρέποντας στον εξοπλισμό να βρίσκεται σε καλή σταθερη θέση εμποδίζοντας το εξωτερικό φως να φτάσει στον αισθητήρα. Όπως στην έκδοση Lego (Εικ. 1D και 1E), το μπροστινό διάφραγμα ευθυγραμμίζεται με το πίσω άνοιγμα και, όταν είναι συνδεδεμένο, με τον αισθητήτα του smartphone, (ALS= ambient light sensor) (Εικ. 1C). Το Σχήμα 1Β δείχνει το μηχανισμό του διακόπτη που χρησιμοποιείται στο εναλλάξιμο μέρος — όταν η μπαταρία είναι αναμμένη, η λυχνία LED είναι σβηστή και όταν η μπαταρία είναι χαμηλή, αγγίζει το τοποθετημένο LED, ενεργοποιώντας το. Η εφαρμογή χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της απορρόφησης από τις μετρήσεις του φωτός Η μέτρηση φωτός σε πραγματικό χρόνο στην εφαρμογή επιτρέπει τη σωστή τοποθέτηση του στηρίγματος της κυψελίδας, με το LED πλήρως ευθυγραμμισμένο με τον αισθητήρα του smartphone (ALS). Όταν το LED σβήνει, στον πραγματικό χρόνο η μέτρηση φωτός πρέπει να είναι 0 για να αποδειχθεί ότι ο αισθητήρας προστατεύεται επαρκώς από εξωτερικό φως όταν είναι συνδεδεμένος με smartphone (Pereira & Hosker, 2019).

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Ομοιότητα αποτελεσμάτων φασμαφωτόμετρου ενσωματωμένου σε smartphone σε σχέση με εμπορικά φασμαφωτόμετρα (Jenway 6300, Jenway 7310, Pasco 2600)

Για να εκτιμηθεί η λειτουργικότητα του φασματοφωτόμετρου smartphone, κατασκευάστηκαν 3 γραφήματα βαθμονόμησης (Σχήμα 2) κατασκευασμένα για 3 μόρια, τα οποία έχουν την μέγιστη απορρόφηση σε μήκη κύματος που ταιριάζουν στα φάσματα εκπομπής των 3 LED: κρυσταλλικό ιώδες (587 nm), πορτοκαλί μεθυλίου (465 nm) και π-νιτροανιλίνη (400 nm). Το Σχήμα 2 δείχνει παρόμοιες απορροφησεις, παρόμοιες εξισώσεις γραμμής τάσης και παρόμοιες τιμές R², τόσο για το φασμαφωτόμετρο ενσωματωμένο σε smartphone όσο και για τα εμπορικά διαθέσιμα φασματοφωτόμετρα (Jenway 6300, Jenway 7310, Pasco 2600) σε γραφήματα βαθμονόμησης για βιολετί κρυστάλλου (Εικ. 2Α), πορτοκαλί μεθυλίου (Εικ. 2Β) και π-νιτροανιλίνη (Εικ. 2C) στα 587 nm, 465 nm και 400 nm, αντίστοιχα. Παρατηρείται αρνητική απόκλιση από τον νόμο του Beer για όλα τα φασματοφωτόμετρα σε συγκεντρώσεις π-νιτροανιλίνης άνω της συγκέντρωσης, 200 μM. Το φασματοφωτόμετρο ενσωματωμένο σε smartphone έδειξε παρόμοια απόκλιση με τα εμπορικά φασματοφωτόμετρα (Εικ. 2C) (Pereira & Hosker, 2019).

Αξιολόγηση της λειτουργικότητας του φασματοφωτόμετρου ενσωματωμένο σε smartphone με την μέθοδο της ανάλυση πρωτεϊνώναποτελεσμάτων φασμαφωτόμετρου ενσωματωμένου σε smartphone

            Η βαθμονόμηση (calibration)ενός οργάνου, είναι μια απαραίτητη διαδικασία για τον έλεγχο της αξιοπιστίας του οργάνου. Η βαθμονόμηση είναι η διαδικασία ρύθμισης των παραμέτρων ενός οργάνου, ώστε το αποτέλεσμα μιας εξέτασης -παραμέτρου για ένα συγκεκριμένο δείγμα (βαθμονομητής) να βρεθεί εντός ενός αποδεκτού εύρους τιμών. Για την περαιτέρω εκτίμηση της χρησιμότητας του φασματοφωτόμετρου ενσωματωμένο σε  smartphone, χρησιμοποιήθηκε η  μέθοδος Bradford η οποία είναι η πλέον διαδεδομένη για τον προσδιορισμό της απόλυτης συγκέντρωσης της πρωτεΐνης. Η μέθοδος βασίζεται στο γεγονός πως η μέγιστη απορρόφηση όξινου διαλύματος της χρωστικής Coomassie Brilliant Blue G-250 μεταβάλλεται από τα 465nm στα 595nm όταν παρατηρηθεί αλληλεπίδραση με πρωτεΐνες (Pereira & Hosker, 2019).

            Κατασκευάστηκε γράφημα βαθμονόμησης (Σχήμα 3) για πρωτεΐνες χρησιμοποιώντας τον προσδιορισμό Bradford για φασματοφωτόμετρο smartphone και για το εμπορικό φασματοφωτόμετρο Pasco 2600. Όπως φαίνεται στη γραφική παράσταση, οι ανεξάρτητες τιμές απορρόφησης, οι εξισώσεις των γραμμών τάσης και οι τιμές R² ήταν παρόμοιες για το φασματοφωτόμετρο ενσωματωμένο στο smartphone και για το φασµατόµετρο Pasco 2600 στα 587 nm (Pereira & Hosker, 2019).

Περιορισμοί και πιθανές τροποποιήσεις

Το μεγάλο εύρος ζώνης του φάσματος και η μείωση της έντασης του φωτός λόγω της αποφόρτισηςτης μπαταρίας θα περιορίσει ορισμένες από τις χρήσεις του φασματοφωτόμετρου smartphone, ειδικά εκείνα που σχετίζονται με την άμεση φασματοφωτομετρία σύνθετων διαλυμάτων (βιολογικά υγρά) ή μέτρηση των μεταβολών στις ένζυμο δοκιμασίες δραστηριότητας (ELISA). Αυτός ο περιορισμός της αποφόρτισης μπαταρίας μπορεί να βελτιωθεί διασφαλίζοντας  ώστε οι μετρήσεις της απορρόφησης να λαμβάνονται κοντά στο χρόνο της βαθμονόμησης του φασφαφωτόμετρου, και / ή με συμπερίληψη μιας αντίστασης. Λόγω του ότι παρατηρήθηκε μία αρχική μείωση της έντασης ακόμη και με την συμπερίληψη μιας αντίστασης, κρίθηκε απαραίτητη η αλλαγή LED πριν από τη χρήση για αποτροπή μείωσης της έντασης (Pereira & Hosker, 2019).

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Χρησιμοποιώντας δεδομένα βαθμονόμησης από 3 διαφορετικά μόρια που δοκιμάστηκαν, κατέδειξαν ότι τα αποτελέσματα και στα 3 διαφορετικά μήκη κύματος από το φασματοφωτόμετρο ενσωματωμένο στο smartphone είναι παρόμοια με τα αποτελέσματα από τα 3 εμπορικά φασματοφωτόμετρα. Σε συμφωνία είναι και τα αποτελέσματα από τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης της πρωτεΐνης τόσο για το υπό μελέτη φασμαφωτόμετρο όσο και για το φασματοφωτόμετρο PASCO. Συνοψίζοντας αποδεικνύεται ότι το μοντέλο διακρίνεται από λειτουργικότητα, χαμηλό κόστος, σχετικά εύκολη κατασκευή, φορητότητα, κατ΄συνέπεια χρήσιμο για πολλές εφαρμογές (Pereira & Hosker, 2019).

Επισυνάπτεται η περίληψη, παρουσίαση του συγκεκριμένου άρθρου.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Albert D, Todt M, Davis H. A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer. Journal of Chemical Education. 2012; 89: 1432–1435. https://doi.org/10.1021/ed200829d

Hirayama S, Steer RP. Understanding the Theory and Practice of Molecular Spectroscopy: The Effects of Spectral Bandwidth. Journal of Chemical Education. 2010; 87: 1344–1347.

Pereira, V. R., & Hosker, B. S. (2019). Low-cost (<€5), open-source, potential alternative to commercial spectrophotometers. PLOS Biology, 17(6), 1–8. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000321