چكيده فارسي :
سنجش سختي آب يكي از معيارهاي مهم براي ارزيابي كيفيت آب در حوزههاي مختلف از جمله تصفيه آب، سلامت عمومي، فرآيندهاي صنعتي، كشاورزي، محيطزيست و كاربردهاي خانگي است. اين مطالعه به طراحي يك حسگر آرايهاي رنگسنجي پلاسموني بر پايه تجمع نانوذرات طلا (AuNPs) براي اندازهگيري سختي آب ميپردازد. حسگر آرايهاي شامل سه عنصر حسگر نيمهانتخابي (SE) است كه از نانوذرات طلا در سه شرايط مختلف pHبه ترتيبSE1 (pH = 4.5)، SE2 (pH = 6.5) و SE3 (pH = 8.5)تهيه شده و پروفايل جذب اين عناصر حسگر در حضور يونهاي كلسيم و منيزيم با غلظتهاي مختلف ثبت شدند. در اثر برهمكنش اين يونها با نانوذرات طلا، تجمع نانوذرات رخ داده كه باعث جابجايي قرمز در طيف جذبي آنها از 520 نانومتر به طولموجهاي بلندتر شده و به دنبال آن تغيير رنگ قابل مشاهدهاي از قرمز به آبي ايجاد ميگردد.
الگوهاي پاسخ عناصر حسگر به نوع آناليت (كلسيم، منيزيم يا مخلوط آنها) و غلظت آن بستگي داشته و براي تحليل پروفايلهاي پاسخ اثر انگشتي اين حسگر آرايهاي، از الگوريتمهاي يادگيري ماشين شامل تحليل تفكيك خطي (LDA) و رگرسيون كمترين مربعات جزئي (PLSR) استفاده شد. كاهش ابعاد دادهها با استفاده از تحليل مؤلفه اصلي (PCA) و سپس LDA نشان داد كه اين روش قادر به تمايز دقيق بين نمونههاي خالص و مخلوط يونهاي كلسيم و منيزيم در گستره وسيعي از غلظتها است.
كميسازي با استفاده از PLSR نشان داد كه حد تشخيص (LOD) براي يونهاي كلسيم و منيزيم در نمونههاي خالص به ترتيب ppm CaCO3 1.45 و 1.40 است و محدوده خطي 10-120 ppm CaCO3 را پوشش ميدهد. در نمونههاي مخلوط، اين روش به حد تشخيص ppm CaCO310 و محدوده خطي3 ppm CaCO 6 تا 114 براي غلظت كل يونها دست يافت. كارايي اين روش با استفاده از يك نمونه واقعي از آب چاه بررسي شد و نرخ بازيابي 102.5٪ در مقايسه با روش استاندارد ICP-OES حاصل شد كه نشان دهنده توانايي اين مدل در تشخيص دقيق و صحيح سختي كل در نمونههاي واقعي است.
چكيده انگليسي :
The evaluation of water hardness is a key parameter for assessing water quality across various domains, including water treatment, public health, industrial processes, agriculture, environmental monitoring, and domestic use. This study presents the development of a plasmonic colorimetric sensor array leveraging the aggregation behavior of gold nanoparticles (AuNPs) for the quantitative analysis of water hardness. The sensor array comprises three semi-selective sensing elements (SEs) based on AuNPs prepared at different pH conditions: SE1 (pH = 4.5), SE2 (pH = 6.5), and SE3 (pH = 8.5). The absorption profiles of these SEs were recorded in response to varying concentrations of calcium and magnesium ions.
Upon interaction with these cations, AuNPs underwent aggregation, leading to a redshift in their absorption spectra from 520 nm to longer wavelengths, accompanied by a visible color change from red to blue. The response patterns of the SEs varied depending on the analyte type (calcium, magnesium, or their mixtures) and concentration. Machine learning algorithms, including Linear Discriminant Analysis (LDA) and Partial Least Squares Regression (PLSR), were employed to analyze the unique fingerprint response profiles of the sensor array. Dimensionality reduction using Principal Component Analysis (PCA), followed by LDA, demonstrated the method's capability to accurately distinguish between pure and mixed samples of calcium and magnesium ions across a wide concentration range.
Quantification using PLSR revealed detection limits (LOD) of 1.45 ppm CaCO3and 1.40 ppm CaCO3for calcium and magnesium ions, respectively, in pure samples, with a linear range of 10–120 ppm CaCO3. For mixed samples, the method achieved an LOD of 10 ppm CaCO3 and a linear range of 6–114 ppm CaCO3 for the total ion concentration. The applicability of this approach was validated using a real well-water sample, yielding a recovery rate of 102.5% when compared to the standard ICP-OES method