《Optik》：Low-cost smartphone-based digital colorimetric imaging for determination of creatinine in clinical samples
编辑推荐：
检测肌酐的新型便携式手机光色法：基于Schiff碱HNABSA的化学传感器结合RGB分析和DFT计算验证了高灵敏度和选择性（线性范围1-10 μg/mL，检测限0.40 μg/mL）。
Kamlesh Shrivas|Devraj Dewangan|Anuradha Sharma|Laxmi Raman Adil|Santosh Singh Thakur|Khemchand Dewangan|Indrapal Karbhal|Nitin Kumar Jaiswal
印度恰伊波尔Ravishankar Shukla大学化学研究学院
摘要
本研究提出了一种新型、成本低廉且便携的基于智能手机的比色法，利用Schiff碱（E-4-((2-羟基萘-1-基)亚甲基)氨基)苯磺酰胺（HNABSA）作为化学传感器，用于选择性检测肌酐。通过智能手机成像捕捉溶液颜色的变化，并分析红绿蓝（RGB）值来实现检测。该系统在1–10 μgmL?1范围内表现出线性响应（R2 = 0.996），检测限为0.40 μgmL?1。紫外-可见光谱法证实了肌酐结合时的光谱位移，而傅里叶变换红外光谱（FTIR）和1H核磁共振（1H NMR）光谱验证了合成HNABSA的结构完整性和官能团。实验表明，该比色法对肌酐具有高度选择性，在pH 7.0、0.08 mM HNABSA浓度和4分钟反应时间内效果最佳。密度泛函理论（DFT）计算（Gaussian 16, RB3LYP/6-311+G (D,P)）显示肌酐与HNABSA之间存在稳定的结合（E = –1786.0215 a.u.），涉及静电和氢键相互作用。HOMO-LUMO间隙为3.118 eV，电势图表明通过光诱导电子转移实现了选择性分子识别。这些结果证实了HNABSA作为肌酐检测比色探针的潜力。这种结合实验和理论的方法为开发基于智能手机的临床分析工具、高效检测肌酐提供了支持。
引言
肌酐是肌肉代谢的废物产物，主要由肌酸产生。其主要功能是作为肾脏健康的指标。肾脏从血液中过滤肌酐，血液或尿液中的肌酐浓度反映了肾功能[1]。肌酐水平升高可能表明肾脏功能受损，而较低的水平可能提示肌肉质量减少或某些代谢问题。某些代谢障碍患者可能会出现肌酐缺乏，导致肌肉无力、发育迟缓或由于肌肉能量产生不足而出现神经系统症状[2]、[3]。临床上，通过血液或尿液检测肌酐，血清肌酐水平常用于估算肾小球滤过率，这是评估肾功能的关键指标。监测肌酐水平对于诊断和管理肾脏疾病、调整药物剂量以及评估整体肾脏健康至关重要[4]。因此，测量临床样本中的肌酐对于及时诊断和治疗疾病至关重要。
使用Jaffe反应测定肌酐的紫外-可见光谱法涉及在碱性条件下肌酐与苦味酸反应生成红橙色复合物。该颜色的强度在490-500 nm处测量。吸光度与肌酐浓度成正比，使其成为一种广泛使用的简单诊断方法[5]。荧光法通过衍生化后测量肌酐的荧光来提高灵敏度，但需要更复杂的样品制备和专用试剂[6]。高效液相色谱（HPLC）具有高精度和选择性，可以在检测前将肌酐与其他化合物分离，通常使用紫外或荧光检测。尽管精度高，但HPLC耗时较长且需要昂贵设备[7]。电化学方法使用生物传感器或电极，可实现快速便携的检测，适用于即时检测；然而，在复杂样品中的灵敏度可能较低[8]。液相色谱-质谱（LC-MS）具有最高的灵敏度和特异性，甚至能检测到复杂基质中的微量肌酐，但价格昂贵且需要熟练操作[9]。因此，包括光谱法、荧光法、HPLC、电化学方法和LC-MS在内的各种肌酐测定方法各有优缺点，适用于不同的临床和研究场景。
在这些方法中，光谱法简单且经济，其中Schiff碱被用于测量多种化学物质。Schiff碱是一类由伯胺和羰基化合物形成的缩合产物，通常称为亚胺或偶氮甲烷。结构上，它们的羰基（C=O）被亚胺（C=N）取代[10]、[11]。先前关于Schiff碱衍生物的研究表明，它们具有显著的显色和荧光特性，并对多种离子和生物分子具有高选择性。这些化合物根据结构修饰表现出可调的光学响应，使其成为分析和生物应用中选择性测量化学物质的理想候选者[12]、[13]、[14]。尽管简单且成本低廉，但使用Schiff碱的光谱法可能受到复杂基质中其他物质的干扰、潜在的非特异性结合以及需要仔细优化反应条件以确保准确可靠的测量结果的限制。
智能手机结合ImageJ软件可以通过RGB和灰度分析实现化学物质的先进检测。用户可以使用智能手机相机拍摄样品图像，然后使用强大的开源图像分析程序ImageJ处理图像。该软件允许提取RGB值或转换为灰度，从而便于比色反应的定量分析。通过分析颜色强度变化，用户可以根据校准曲线确定特定分析物的浓度。这种方法在环境测试、食品安全和临床诊断中特别有用，提供了一种便携且经济高效的解决方案[15]、[16]、[17]。ImageJ软件的局限性在于它依赖于台式计算机或笔记本电脑来处理智能手机相机捕获的JPEG文件以确定RGB值。因此，智能手机上的颜色应用程序可以直接使用设备的相机捕获样品图像来测量各种化学物质[18]、[19]。
本研究的目的是开发一种新型、低成本且便携的基于智能手机的比色法，用于选择性检测肌酐。合成了一种Schiff碱HNABSA作为化学传感器，以解决传统方法的局限性，如高成本、复杂性和现场适用性差。优化了包括pH值、传感器浓度和反应时间在内的实验条件，并使用合成尿液和血浆样本进行了验证。为了支持实验结果，使用Gaussian 16在RB3LYP/6-311+G(D,P)水平进行了密度泛函理论（DFT）计算。这种结合实验-计算的方法为资源有限的临床诊断环境中的肌酐监测建立了一个用户友好的工具。
试剂和溶液制备
本研究中使用的化学物质均为分析级试剂。L-鸟氨酸一水合物、肌醇、尿素、胸腺嘧啶、肌酐、胞苷、瓜氨酸、氯化胆碱、次黄嘌呤、对氨基丁酸和血红蛋白、磺胺酰胺以及甲醇均购自Himedia PVT有限公司（印度孟买）。合成尿液稀释剂（SAE0074）、血浆、2-羟基-1-萘醛和烟酸购自Sigma Aldrich（美国）。所有标准溶液（100 μgmL?1）均...
Schiff碱的表征
Schiff碱（HNABSA）通过其独特的1H NMR光谱特征进行了表征，确认了其结构完整性。图S2(A)显示在DMSO-d?中的1H NMR光谱中，δ 15.36 ppm处有一个羟基质子，表明存在OH基团。氨基（NH?）在δ 7.33 ppm处被观察到。而来自萘环和苯环的芳香质子在δ 6.91、7.28、7.47、7.71、7.81、7.86、8.42和δ 9.59 ppm处分别有明显信号。进一步的13C NMR结构解析...
结论
本研究成功开发了一种新型、低成本且便携的基于智能手机的比色法，利用合成的Schiff碱化学传感器HNABSA选择性检测肌酐。该方法利用智能手机辅助的RGB分析，在1–10 μg/mL范围内定量肌酐，具有高灵敏度（LOD = 0.40 μg/mL）、优异的线性（R2 = 0.996）以及在合成尿液样本中的良好回收率和重复性。通过紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、1H NMR和13C NMR进行了表征...
CRediT作者贡献声明
Anuradha Sharma：撰写 – 审稿与编辑、形式分析。Laxmi Raman Adil：撰写 – 审稿与编辑、形式分析、数据管理。Dewangan Devraj Dewangan：撰写 – 审稿与编辑、方法学。Kamlesh Shrivas：撰写 – 初稿、监督、项目管理、概念化。Indrapal Karbhal：撰写 – 审稿与编辑。Nitin Kumar Jaiswal：撰写 – 审稿与编辑。Santosh Singh Thakur：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。Khemchand Dewangan：撰写 –利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
