Ingeniører opfinder smartphone-enhed, der registrerer skadelige alger på 15 minutter

Et team af ingeniører fra NUS har udviklet et meget følsomt system, der bruger en smartphone til hurtigt at registrere tilstedeværelsen af ​​toksinproducerende alger i vand inden for 15 minutter. Denne opfindelse kan generere testresultater på stedet, og resultater kan rapporteres i realtid ved hjælp af smartphonens trådløse kommunikationsmuligheder.

Dette teknologiske gennembrud kan spille en stor rolle i at forhindre spredning af skadelige mikroorganismer i vandmiljøer, som kan true den globale folkesundhed og forårsage miljøproblemer.

NUS-teamet, ledet af adjunkt Bae Sung Woo fra NUS Civil and Environmental Engineering, først offentliggjort resultaterne online i et videnskabeligt tidsskrift Skadelige alger den 25. juli.

Aktuelle udfordringer med overvågning af vandkvalitet

En pludselig stigning i mængden af ​​alger og deres tilknyttede toksiner i søer, damme, floder, og kystnære farvande kan påvirke vandkvaliteten negativt, og til gengæld kan have ugunstige virkninger på menneskers sundhed, akvatiske økosystemer, og vandforsyning. For eksempel, i 2015, en algeopblomstring udslettede mere end 500 tons fisk i Singapore, og fik nogle dambrugere til at miste millioner af dollars.

Konventionelle metoder til algedetektering og -analyse er tidskrævende, og kræver specialiseret og dyrt udstyr, samt dygtige operatører til at udføre vandprøvetagning og -testning. En tilgang er at teste for tilstedeværelsen af ​​klorofyl ved hjælp af komplekse instrumenter, der koster mere end S$3, 000 (US$2, 200). En anden almindelig metode er at udføre cytometri- og billedanalyse for at detektere algeceller - denne metode involverer udstyr, der koster mere end S$100, 000 (73 USD, 000).

"I øjeblikket, det kan tage en dag eller mere at indsamle vandprøver fra et sted, bringe dem tilbage til laboratoriet til test, og analysere resultaterne. Denne lange gennemløbstid er upraktisk til overvågning af algeopblomstring, da håndteringen af ​​forureningskilder og berørte farvande kunne bremses, " forklarede Asst Prof Bae.

For at imødegå de aktuelle udfordringer inden for overvågning af vandkvalitet, Asst Prof Bae og hans team tog et år på at udvikle den nye enhed, der overvåger mikrobiel vandkvalitet hurtigt og med høj pålidelighed.

Ny 'lab-on-a-chip' teknologi:Billigere, mindre og meget følsomme

Den nye NUS-opfindelse omfatter tre sektioner - en mikrofluidisk chip, en smartphone, og en tilpasselig 3-D-printet platform, der rummer optiske og elektriske komponenter såsom en bærbar strømkilde og et LED-lys.

Chippen er først belagt med titaniumoxid phthalocyanin, en type fotoledende polymerbaseret materiale. Det fotoledende lag spiller den vigtige rolle som at lede vanddråber til at bevæge sig langs chippen under analyseprocessen.

Den belagte chip placeres derefter oven på skærmen på en smartphone, som projicerer et mønster af lyse og mørke områder på chippen. Når dråber af vandprøven aflejres på overfladen af ​​chippen, en spændingsfaldsforskel, skabt af de lyse og mørke områder oplyst på det fotoledende lag, ændrer overfladespændingen af ​​vanddråberne. Dette får vanddråberne til at bevæge sig mod de mørke oplyste områder. På samme tid, denne bevægelse får vanddråberne til at blande sig med et kemikalie, der pletter algecellerne i vandprøven. Blandingen styres af lysmønstrene mod kameraet på smartphonen.

Næste, en LED-lyskilde og et grønt filter indlejret i den 3-D-printede platform, nær kameraet på smartphonen, skabe de betingelser, der er egnede til, at kameraet kan tage fluorescerende billeder af de farvede algeceller. Billederne kan sendes til en app på smartphonen for at tælle antallet af algeceller i prøven. Billederne kan også sendes trådløst til et andet sted via smartphonen for at kvantificere antallet af algeceller. Hele analyseprocessen kan gennemføres inden for 15 minutter.

Denne bærbare og brugervenlige enhed koster mindre end 300 USD (220 USD) – eksklusive smartphonen – og vejer mindre end 600 gram. Testsættet er også meget følsomt, derfor er kun en lille mængde vandprøve nødvendig for at generere pålidelige resultater.

Høj detektionsnøjagtighed på 90 procent

NUS-forskerholdet testede deres system ved hjælp af vandprøver indsamlet fra havet og reservoirer. Vandprøverne blev filtreret og tilsat specifikke mængder af fire forskellige typer toksinproducerende alger - to typer ferskvandsalger C. reinhardtii og M. aeruginosa , og to typer havvandalger Amphiprora sp og C. closterium . Eksperimenter med den nye enhed og et hæmocytometer, en standard celletællingsteknik, der almindeligvis anvendes til overvågning af vandkvalitet, blev udført for at teste for tilstedeværelsen af ​​alger.

Det nye smartphone-system var i stand til at detektere de fire algetyper med en nøjagtighed på 90 procent, sammenlignelig med resultaterne genereret af hæmocytometeret.

Asst Prof Bae delte, "Kombinationen af ​​prøveforberedelse på chip, datafangst og analyse gør vores system unikt. Med dette værktøj, vandkvalitetstest kan udføres når som helst og hvor som helst. Denne nye metode er også meget omkostningseffektiv, da den mikrofluidiske chip kan vaskes og genbruges. Denne enhed vil være særlig nyttig for dambrugere, der har brug for at overvåge vandkvaliteten i deres fiskedamme på daglig basis."

Dette projekt blev støttet af National Research Foundation Singapore gennem dets havvidenskabelige forsknings- og udviklingsprogram, og Undervisningsministeriet.

Kommercialisering og videre studier

Forskerholdet er i øjeblikket i diskussion med industripartnere om at kommercialisere deres teknologi.

NUS-forskerne er også ved at udvikle en ny mikrofluidisk chip, der kan integreres med en modificeret version af den nuværende 3-D-printede smartphone-platform for at detektere tilstedeværelsen af ​​fødevarebårne patogener såsom salmonella og andre infektiøse patogener.