| Abstract | Razvoj tehnologije i broj objavljenih radova na temu bežičnih i nosivih (engl. wearable) optičkih kemijskih senzora je u konstantnom porastu od 2011. godine. Njihov jednostavan način rada, cjenovna pristupačnost i mogućnost komercijalizacije ih čini zanimljivim ne samo znanstvenicima, već i ekonomistima velikih korporacija. Nosivi senzori koriste se danas rutinski za praćenje zdravstvenog stanja pacijenata i kondicije profesionalnih i rekreativnih sportaša. U tu svrhu najčešće se primjenjuju u obliku pametnih satova koji pomoću minijaturiziranog optoelektroničkog sučelja metodom fotopletizmografije (engl. photoplethysmography, PPG), mogu mjeriti broj otkucaja srca, zasićenost krvi kisikom te procjenjivati niz drugih parametara i digitalnih biomarkera. U novije vrijeme znanstvena istraživanja usmjerena su prema razvoju nosivih kemijskih senzora, koji bi bili u stanju dati informacije o (bio)kemijskom sastavu dostupnih biofluida (npr. znoj, međustanična tekućina, suze, slina). Kontinuirano praćenje koncentracije (bio)kemijskih parametara u kombinaciji s fizičkim indikatorima predstavlja inovativni multimodalni pristup dijagnostici i terapiji, čiji izuzetan uspon je vidljiv u znanstvenoj i patentnoj literaturi posljednjih godina. Cilj ovog rada bio je ispitati primjenjivost komercijalno dostupnog PPG optičkog senzorskog sustava (model MAX30101) za mjerenje odabranog kemijskog parametra (pH vrijednost) koristeći prirodni pigment kurkumin kao pH indikator. Kurkumin je prirodni pigment dobiven iz podzemne stabljike biljke Curcuma longa, te je kao takav privlačan jer predstavlja ekološki prihvatljivu alternativu umjetnim, i često štetnim pigmentima. Stoga je njegova potencijalna primjena u nosivim senzorima, u direktnom kontaktu s kožom/znojem, u potpunosti moguća. Osim toga, kurkumin je meta istraživanja i u medicini jer su dokazana njegova antikancerogena svojstva, što podcrtava njegovu biokompatibilnost. Neutralne i kisele otopine s kojima je kurkumin u kontaktu bojaju ga jarko žuto, a s porastom pH vrijednosti on mijenja boju u crveno-narančasto-smeđu. Imobilizacija kurkumina izvedena je na papiru, metodom isparavanja otapala. Papir je vrlo zahvalna podloga za nosive kemijske senzore jer je dostupan u različitim strukturnim izvedbama i svojstvima. Imobilizacijom tri otopine kurkumina različitih koncentracija dobiveni su jednokratni testni papirići koji su spektroskopski karakterizirani pri različitim vrijednostima otopina pH pufera u rasponu od 8 do 13. Mjerenja izvedena primjenom fotopletizmografskog (PPG) senzora uspoređena su s mjerenjima standardnog laboratorijskog instrumenta za mjerenje reflektancije. Zaključeno je da odabrani PPG senzorski sustav primijenjen na prikazani način može razlikovati pH vrijednosti s određenom točnošću. Eksperimentalno su izračunate pKa1 vrijednosti kurkumina kao imobiliziranog indikatora na papiru dobivene u dva seta mjerenja PPG senzorom MAX30101 te iznose
pKa = 8,91 i pKa = 9,16. Ista veličina određena standardnim instrumentom za mjerenje reflektancije spektrometrom OceanOptics mjerenjima istih uzoraka papirnih senzora iznosi pKa = 9,43. |
| Abstract (english) | The development of technology and the number of published papers on wearable optical chemical sensors is in a constant rise since 2011. Their simple way of work, financial accessibility and possibility of commercialisation makes them interesting not only to scientists, but to economists of big corporations too. Wearable sensors today are rutinely used to track medical states of patients and physical conditions of professional and amateur athletes alike. For that purpose, they are most often used in the form of smart watches that, using a miniaturised optoelectronic interface and the method of photophletysmography (PPG), can measure heart rate, blood oxygen saturation, and evaluate a number of other parameters and digital biomarkers. Recently, scientific research has been directed towards the development of wearable chemical sensors, which would be able to provide information about the (bio)chemical composition of available biofluids (eg. sweat, intercellular fluid, tears, saliva). Continuous monitoring of the concentration of (bio)chemical parameters in combination with physical indicators represents an innovative multimodal approach to diagnostics and therapy, the remarkable rise of which is visible in the scientific and patent literature in recent years. The aim of this work was to examine the applicability of a commercially available PPG optical sensor system (model MAX30101) for measuring a selected chemical parameter (pH value) using the natural pigment curcumin as a pH indicator. Curcumin is a natural pigment obtained from the underground stem of the plant Curcuma longa, and as such is attractive because it represents an environmentally friendly alternative to artificial, and often harmful, pigments. Therefore, it's potential application in wearable sensors, in direct contact with skin/sweat, is entirely possible. In addition, curcumin is the target of research in medicine as its anticancer properties have been proven, which underlines its biocompatibility. Neutral and acidic solutions with which curcumin is in contact color it bright yellow, and as the pH value increases, it changes color to red-orange-brown. Immobilization of curcumin was performed on paper, using the solvent evaporation method. Paper is a very useful substrate for wearable chemical sensors because it is available in different structural designs and properties. By immobilizing three curcumin solutions of different concentrations, disposable test papers were obtained, which were spectroscopically characterized at different values of pH buffer solutions ranging from 8 to 13. Measurements performed using a photoplethysmographic (PPG) sensor were compared with measurements of a standard laboratory instrument for measuring reflectance. It was concluded that the selected PPG sensor system applied in the manner shown can distinguish pH values with a certain accuracy given that pKa1 values which were determined using the PPG sensor
(pKa = 8,91 and pKa = 9,16) do not differ considerably from the one that was determined using the standard instrument OceanOptics (pKa = 9,43). |
