Smartphone-sensor kan registrere snavset vand

Danmark, ligesom mange andre europæiske lande, er heldig. Når vi skænker os et forfriskende glas postevand, vi behøver generelt ikke bekymre os om bakterier.

Takket være velkontrollerede vand- og sanitetssystemer, vi har meget lave mængder af bakteriel forurening i vores drikkevandsforsyning. Og alligevel kan vi stadig finde E.coli fra tid til anden, især i åbne vandtanke, hvor det kan udgøre en sundhedsrisiko.

Eksisterende metoder til at opdage E.coli er langsomme og ofte dyre, så vi satte os for at udvikle en hurtigere, billigere tilgang ved hjælp af en lille biosensor betjent fra din smartphone.

Finde afføring i drikkevand

Videnskabeligt set, E. coli er en normal flora i pattedyrets tarmspor. Så når vi finder det i en vandmasse, såsom en sø eller et vandløb, eller vandet der kommer ud af din hane, det indikerer fækal forurening. Ja det er rigtigt, poo forurenet drikkevand på grund af lækager fra sanitetssystemet.

Det kan også indikere tilstedeværelsen af ​​andre patogener såsom andre bakterier, vira, og parasitter, som absolut bedst undgås. Indtagelse af sådanne patogener kan forårsage diarré og kolera, mens parasitter kan forårsage opkastning og irritabel tyktarm.

Ikke overraskende, hurtig og følsom overvågning for at opdage disse patogener tidligt er afgørende for at beskytte folkesundheden.

En nano-detektiv i din telefon

Verdenssundhedsorganisationen (WHO) anser drikkevand for at være sikkert og rent, når det absolut ikke indeholder bakterier - ikke en eneste bakterie i 100 milliliter vand.

Det er som at prøve at finde en enkelt fisk i hele havet. En vanskelig opgave!

Vi kan gøre det ved at dyrke bakterierne ekstraheret fra en vandprøve i et specifikt medium i 24 til 48 timer, og derefter studere det under et mikroskop for at se, om det indeholder E. coli.

Denne metode virker, men den kan tage op til tre dage at gennemføre og skal udføres af en uddannet specialist - ikke fantastisk i en nødsituation. De koster også mange penge - op til 55 USD for en kommerciel tjeneste.

Vores nye sensor på den anden side, detekterer E. coli direkte i en vandprøve. Og i modsætning til den traditionelle metode, den kan detektere en enkelt celle af E. coli på mindre end en time.

Hvordan det virker

Den bruger noget, der hedder DNA-magnetisk partikelteknologi, som i det væsentlige opsøger og isolerer specifikke bakterier ved hjælp af masser af små, magneter i nanostørrelse, som kan måles med en særlig enhed, der styres af en app på din telefon.

For at analysere for forurening tager du først en vandprøve og tilføjer de små magnetiske partikler, som er designet til at opsøge og binde sig til specifikke bakterier, i dette tilfælde E. coli.

Du indsætter derefter en sensorstrimmel i vandprøven. Dette er en anden magnet, der tiltrækker de DNA-magnetiske partikler, bundet til E. coli. Strimlen indsættes derefter i en enhed, der foretager en elektrokemisk måling og derved detekterer E. coli i prøven.

Ny sensor slår andre avancerede detektionsteknikker

Vores sensor er naturligvis ikke det eneste avancerede værktøj, der kan registrere E. coli. Flere andre teknologier er i øjeblikket tilgængelige. De fleste af dem bruger optiske og elektriske målinger til at opdage bakterier.

Optiske teknikker, ofte detektere ændringer i farve eller fluorescens af organismer i en vandprøve. Men denne teknik kan kun bruges i klare vandprøver, og så er der ikke megen brug i uklare eller grumsete flodvandsprøver, for eksempel. Disse prøver skal først filtreres, før de kan analyseres, tilføje et ekstra trin, og derfor tid, til processen.

Elektriske målinger detekterer bakterier, når de registrerer et fald i elektrisk signal på grund af bakteriecellevæggens isolerende egenskaber. Denne teknik er nyttig, da den også kan miniaturiseres, ligesom vores smartphone biosensor, og den kan installeres til løbende at overvåge en vandkilde.

Men det har en stor ulempe:Det resulterer ofte i falske signaler fra partikler af samme størrelse som bakterier.

En hurtig, målrettet tilgang

Ved at bruge DNA-magnetiske partikler kan vi målrette mod specifikke bakterier, i dette tilfælde E. coli, og ignorere andre almindelige typer af bakterier, som ellers ville interferere med E. coli-signalet. For eksempel, Bacillus, som forekommer i floder rundt om i verden.

Ved at målrette mod én bestemt type bakterier kan du eliminere yderligere forbehandlingstrin, såsom filtrering for at fjerne andre bakterier, ligesom Bacillus.

Vi har også opdaget, at det er muligt at bruge mere end én DNA-sekvens til at påvise flere bakterier i en vandprøve. We call this multiplexing detection and it makes environmental monitoring even more time- and cost-friendly.

There is still work to do before the sensor is optimised and ready to be used by industry. For eksempel, we still need to simplify the initial sample treatment and sensing steps so that they can all be done in the device.

We hope that it will be ready in the next two to three years when this new sensor will be available to monitor drinking water and lead to cleaner water not only in Denmark, but elsewhere in the world, where clean water is often more precious than gold.

This story is republished courtesy of ScienceNordic, the trusted source for English-language science news from the Nordic countries. Read the original story here.