Görünür Bölge Absorpsiyon Spektroskopisi Kullanılarak Serum Örneklerinde Çoklu Biyobelirteç Belirlemesi için Modüler Bir Spektrofotometrik Cihazın Tasarımı

Ülengin F., Öztürk S., Konukoğlu D.

5th International Graduate Research Symposium: IGRS’26, İstanbul, Türkiye, 11 - 13 Mayıs 2026, ss.586-589, (Tam Metin Bildiri)

Yayın Türü: Bildiri / Tam Metin Bildiri
Basıldığı Şehir: İstanbul
Basıldığı Ülke: Türkiye
Sayfa Sayıları: ss.586-589
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa Adresli: Evet

Diyabet ve böbrek yetmezliği gibi kronik hastalıkların küresel ölçekte hızla artması, serum gibi vücut sıvılarındaki kimyasal biyobelirteçlerin düzenli olarak takip edilmesini zorunlu kılmaktadır. Klinik teşhis süreçlerinde kullanılan merkezi laboratuvar yöntemleri yüksek doğruluk sunsa da pahalı altyapı ve uzman personel bağımlılığı nedeniyle kaynakları kısıtlı bölgelerde erişilebilir değildir; mevcut hasta başı test (POCT) cihazları ise hassasiyet ve tekrarlanabilirlik açısından yetersiz kalmaktadır. Bu çalışmanın amacı; minimal serum örneklerinden glukoz, sodyum, kalsiyum, klorür, toplam bilirubin ve laktik asit gibi kritik biyobelirteçleri aynı anda ve hızlı bir şekilde tespit edebilen, düşük maliyetli, taşınabilir ve modüler bir spektrofotometre cihazı tasarlayıp geliştirmektir.

Geliştirilen cihaz algılama, ışık kaynağı, elektronik altyapı, hareket mekanizması ve yazılım olmak üzere beş ana bileşenden oluşmaktadır. Cihazın birincil algılama sisteminde görünür ışık spektrumunda (340–780 nm) 15 nm spektral çözünürlükle ölçüm yapabilen Hamamatsu C12666MA CMOS mini spektrometre sensörü kullanılmıştır. Geleneksel laboratuvar spektrofotometrelerindeki monokromatör sistemler yerine, her analite özgü dalga boylarında emisyon yapan yüksek güçlü bir LED dizisi entegre edilmiştir. Sensörün ve 96 kuyucuklu mikroplakanın X-Y düzleminde yüksek hassasiyetle, hızlı ve titreşimsiz hareket etmesini sağlamak amacıyla COREXY hareket mekanizması tercih edilmiş ve Arduino denetleyicileri ile kontrol edilmiştir. Yazılım kısmında, motor kontrolünü sağlayan, kalibrasyon grafiklerini görselleştiren ve gerçek zamanlı ölçümleri takip eden Python tabanlı bir kullanıcı arayüzü geliştirilmiştir. Analizlerde, analitlere özgü kolorimetrik test kitleri kullanılmıştır.

Geliştirilen cihazın performans analizleri geleneksel UV-VIS spektrofotometre ve HPLC sonuçları ile doğrulanmıştır. Hedef analitler için elde edilen kalibrasyon eğrileri güçlü bir doğrusallık sergilemiştir. Ortalama Mutlak Yüzde Hata (MAPE) değerleri kalsiyum için %0,78, klorür için %3,83 ve glukoz için %7,24 olarak hesaplanmıştır. Sodyum analizinde HPLC referans değerine göre %95,33 doğruluk (%4,67 bağıl hata), klorür tayininde ise %94,12 doğruluk (%5,88 hata) elde edilmiştir. Glukoz ölçümlerindeki sapma (%9,86), taşınabilir cihazlar için ISO 15197:2013 standardında belirtilen %15'lik klinik kabul edilebilir hata sınırının altında kalmıştır. Kalsiyum analizindeki %13,76'lık sapma ise ölçümler için kabul edilebilir %10-15'lik Toplam İzin Verilen Hata (TEa) aralığındadır. Toplam bilirubin (%31,18) ve D-laktik asit (%19,85) ölçümlerinde ise ışığa duyarlılık ve elektriksel/optik arka plan gürültüsü nedeniyle yüksek sapmalar gözlenmiştir.

Bu çalışma kapsamında geliştirilen kablosuz ve taşınabilir spektrofotometre prototipi, geleneksel laboratuvar cihazlarına güçlü bir alternatif sunmaktadır. Glukoz, sodyum, klorür ve kalsiyum ölçümlerinin klinik olarak kabul edilebilir sınırlar içinde kalması, cihazın hasta başı test süreçleri için yeterli analitik hassasiyete sahip olduğunu göstermektedir. Geliştirilen sistem, özellikle kaynakları kısıtlı bölgelerde laboratuvar bağımlılığını ve maliyetleri azaltarak teşhis süreçlerini hızlandırma konusunda yüksek bir potansiyele sahiptir.

The rapid global increase in chronic diseases such as diabetes and renal failure necessitates the routine monitoring of chemical biomarkers in bodily fluids like serum. Although central laboratory methods utilized in clinical diagnostics offer high accuracy, they remain inaccessible in resource-limited settings due to their reliance on expensive infrastructure and specialized personnel. Conversely, existing point-of-care testing (POCT) devices often lack adequate sensitivity and reproducibility. This study aims to design and develop a low-cost, portable, and modular spectrophotometer capable of rapid, multiplexed detection of critical biomarkers—including glucose, sodium, calcium, chloride, total bilirubin, and lactic acid—from minimal serum volumes.

The developed system comprises five core modules: detection, illumination, electronic infrastructure, motion mechanism, and software. The primary detection unit integrates a Hamamatsu C12666MA CMOS mini-spectrometer sensor operating across the visible spectrum (340–780 nm) with a 15 nm spectral resolution. Replacing conventional monochromators, a high-power LED array emitting at analyte-specific wavelengths serves as the light source. A CoreXY motion mechanism, controlled via Arduino microcontrollers, was implemented to achieve rapid, precise, and vibration-free translation of the sensor and the 96-well microplate across the X-Y plane. For the software interface, a Python-based GUI was designed to manage motor control, plot calibration curves, and facilitate real-time data acquisition using analyte-specific colorimetric assay kits.

Performance evaluation of the prototype was validated against conventional UV-Vis spectrophotometry and HPLC reference methods. Calibration curves for target analytes demonstrated strong linearity. The Mean Absolute Percentage Error (MAPE) was calculated as 0.78% for calcium, 3.83% for chloride, and 7.24% for glucose. Sodium quantification yielded 95.33% accuracy (4.67% relative error) relative to HPLC standards, while chloride determination achieved 94.12% accuracy (5.88% relative error). The measurement deviation for glucose (9.86%) remained well within the clinically acceptable limit of 15% defined by the ISO 15197:2013 standard for portable devices. Similarly, the 13.76% deviation for calcium fell within the acceptable 10–15% Total Allowable Error (TEa) threshold. In contrast, higher deviations were observed for total bilirubin (31.18%) and D-lactic acid (19.85%), primarily attributed to photosensitivity along with electrical and optical background noise.

The wireless, portable spectrophotometer prototype developed in this work offers a robust alternative to conventional benchtop systems. The validation of glucose, sodium, chloride, and calcium assays within clinically acceptable error margins confirms that the platform provides sufficient analytical performance for point-of-care testing. Consequently, this system exhibits significant potential to accelerate diagnostic workflows, reduce costs, and mitigate laboratory dependence, particularly in resource-constrained healthcare settings.