Біорізноманіття, екологія та експериментальна біологія

The paper represents the experimental results of elaboration of qualitative method to determine concentrations of vitamins A, D, and E in liquids and biological fluids by aid of computer analysis of visual data. The H.S. Skovoroda’s KNPU Chemistry department staff has been working on a software product for schools under the general name of ―ColorKit‖. The software allows analyzing photo and video files. One of ―ColorKit‖ application directions may be the investigation of liquids and fluids optical densities parameters. Concerning the vitamins solutions, the research primary task was to create a non-polar reagent for each vitamin, so that, the reagent would bind a vitamin and rapidly form a complex of specific color. The intensity of the latter would be proportional to the vitamin concentration, and would be determined by aid of web-camera and the ―ColorKit‖ program. The innovation of reagents preparation was proposed, i.e. saturated solution of SO3 (for vitamin A), or SO3 + N2O5 (for vitamin D and E) in dichloride-ethane. The experimental video analysis according to RGB-system established logarithmic dependences of the solution color on vitamin A concentration. The correlation coefficients were equal to 0.95-0.99. The highest magnitude of R was registered for comparison of vitamin A experimental solution color with methylenic blue solution color, which was used as a colorimetric standard for the computer processing of visual data. The analysis of vitamin E video files according to RGB-system established logarithmic dependences of the solution color on vitamin E concentration with low correlation coefficients. The same analysis according to ―Black-White‖ system displayed the linear correlation between the solutions concentrations and their color with R magnitude equal to 0.998. The experimental vitamin D solutions video analysis to ―Black-White‖-system established a linear correlation in the dependence of solution color intensity on the vitamin concentration, with the high R magnitude, which was equal to 0.94. Of high practical application might be the evaluation of vitamin D solutions concentrations dependence upon the samples brightness. Thus, algorithm of processing visual effects of vitamins qualitative colored reactions alterations was established by aid of web-camera CNR-WCAM820 and the ColorKit program. The calibration graphs for the vitamin concentrations determination in solutions were obtained. The elaborated method may be recommended to use at school conditions.

Key words: fat-soluble vitamins, computer programs, solution color density, solution concentration.

Стаття представляє експериментальні результати розробки кількісного методу для визначення концентрацій вітамінів А, D та Е у біологічних рідинах за допомогою комп’ютерного аналізу візуальних даних. Колективом кафедри хімії ХНПУ імені Г.С. Сковороди розробляється програмне забезпечення для шкіл під загальною назвою ―ColorKit‖. Програма дозволяє аналізувати фото та відео файли. Один з напрямків застосування програми може бути дослідження параметрів оптичної густини рідин. Стосовно розчинів вітамінів, першим етапом дослідження було створення неполярного реактиву для кожного вітаміну, який зв’язував би вітамін і швидко формував би комплекс специфічного кольору. Інтенсивність останнього була б пропорційна концентрації вітаміну, і визначалась би за допомогою веб-камери та програми ―ColorKit‖. Були запропоновані розроблені реактиви: насичений розчин SO3 (для вітаміну А), або SO3 + N2O5 (для вітамінів D та Е) у дихлоретані. Аналіз експериментальних відео файлів за RGB-системою встановив логарифмічну залежність інтенсивності кольору розчину від концентрації вітаміну А. Коефіцієнти кореляції дорівнювали 0,95-0,99. Найвища величина R була зареєстрована при порівнянні кольору експериментального розчину вітаміну А з кольором розчину метиленового синього, що був взятий за колориметричний стандарт для комп’ютерної обробки візуальних даних.Аналіз відео файлів з вітаміном Е за RGB-системою виявив логарифмічні залежності інтенсивності кольору розчинів від концентрацій вітаміну Е з низькими коефіцієнтами кореляції. Аналіз за чорно-білою системою встановив лінійну залежність між концентрацією розчинів та інтенсивністю їх кольору з величиною R, що дорівнювала 0,998. Аналіз відео з експериментальними розчинами вітаміну D за чорно-білою системою довів наявність лінійної залежності концентрації вітаміну від інтенсивності кольору його розчину з досить високою величиною R (0,94). Дуже практичним при визначенні концентрацій вітаміну в дослідних зразках також може бути аналіз залежності концентрації вітаміну D у калібрувальних розчинах від їх яскравості. Таким чином, запропоновано алгоритм обробки зображень з метою визначення концентрацій розчину вітамінів за допомогою цифрових побутових фотопристроїв (веб-камери CNR-WCAM820). Були побудовані калібрувальні графіки визначення концентрацій вітамінів у розчинах. Розроблений метод може бути рекомендований для використання вшкільних умовах.

Ключові слова: жиророзчинні вітаміни, комп’ютерні програми, густина кольору розчину, концентрація розчину.

Статья представляет экспериментальные результаты разработки количественного метода для определения концентраций витаминов А, D и Е в биологических жидкостях с помощью компьютерного анализа визуальных данных. Коллективом кафедры химии ХНПУ имени Г.С. Сковороды разрабатывается программное обеспечение для школ под общим названием ―ColorKit‖. Программа позволяет анализировать фото и видео файлы. Одним из направлений применения программы может быть исследования параметров оптической плотности жидкостей. Касательно растворов витаминов, первым этапом исследования была разработка неполярного реактива для каждого витамина, который связывал бы витамин и быстро формировал бы комплекс специфического цвета. Интенсивность последнего была бы пропорциональна концентрации витамина, и определялась бы с помощью веб-камеры и программы ―ColorKit‖. Были предложены разработанные реактивы: насыщенный раствор SO3 (для витамина А), или SO3 + N2O5 (для витаминов D та Е) в дихлорэтане. Анализ экспериментальных видео файлов согласно RGB-системы установил логарифмическую зависимость интенсивности цвета раствора от концентрации витамина А. Коэффициенты корреляции были равны 0,95-0,99. Самая высокая величина R была зарегистрирована при сравнении цвета экспериментального раствора витамина А с цветом раствора метиленового синего, который был взят за колориметрический стандарт для компьютерной обработки визуальных данных. Анализ видео файлов с витамином Е по RGB- системы выявил логарифмические зависимости интенсивности цвета растворов от концентраций витамина Е с низкими коэффициентами корреляции. Анализ по черно-белой системе установил линейную зависимость между концентрацией растворов и интенсивностью их цвета с величиной R, которая была равна 0,998. Анализ видео с экспериментальными растворами витамина D по черно-белой системе доказал наличие линейной зависимости концентрации витамина от интенсивности цвета его раствора с достаточно высокой величиной R (0,94). Очень практичным при определении концентраций витамина в опытных образцах также может быть анализ зависимости концентрации витамина D в калибровочных растворах от их яркости. Таким образом предложен алгоритм обработки изображений с целью определения концентраций растворов витаминов с помощью цифровых бытовых фотоприборов (веб- камеры CNR-WCAM820). Были построены калибровочные графики определения концентраций витаминов в растворах. Разработанный метод может быть рекомендован для использования в школьных условиях.

Ключевые слова: жирорастворимые витамины, компьютерные программы, интенсивность цвета раствора, концентрация раствора.

The method of vitamins A, D, E concentrations determination was elaborated by analyzing solutions color with the usage of ColorKit program. Besides, innovation of reagents preparation was proposed, i.e. saturated solution of SO3 (for vitamin A), or SO3 + N2O5 (for vitamin D and E) in dichloride-ethane.

Algorithm of processing visual effects of vitamins qualitative colored reactions alterations was established by aid of web-camera CNR-WCAM820 and the ColorKit program.

The calibration graphs for the vitamin concentrations determination in solutions were obtained.

The elaborated method may be recommended to use at school conditions.

Свєчнікова О.М., Винник О.Ф., Святська Т.М., Грановська Т.Я. Використання комп’ютерних приладів у шкільному хімічному експерименті. Сб. наук. праць «Коришенські читання». Полтава. 2015. С. 86–88.

Зайцева С.А., Іванов В.В. Інформаційні технології в освіті. Сб. наук. праць. «Коришенські читання». Полтава. 2015. С. 115–119.

Винник О.Ф, Свєчнікова О.М., Бойко Є.А., Гриценко Ю.В., Грановська Т.Я. Визначення концентрацій речовин за допомогою программного засобу „ColorKit‖. Всеукраїнська наукова конференція «Актуальні задачі хімії: дослідження та перспективи». Збірник матеріалів конференції. Житомир. 2017. – C. 221–224.

Винник О. Ф., Свєчнікова О.М., Павленко М.Ю., Козленко О.Ю. Алгоритм роботи модуля ―Колориметр‖ програмного засобу „ColorKit‖. Сб. наук. праць «Коришенські читання». Полтава, 2017. С. 61–65.

Яковлева М. Н., Осташкова В.В. Методические указания к лабораторным работам по биологической химии. Петрозаводск, 2002. 89 с.