Forskere laver smartphone-system til at teste for bly i vand

Opdagelsen af ​​bly i Flint, Michigans drikkevand henledte fornyet opmærksomhed på de sundhedsrisici, som metallet udgør. Nu har forskere ved University of Houston skabt et billigt system ved hjælp af en smartphone og en linse lavet med en inkjetprinter, der kan registrere bly i postevand på niveauer, der almindeligvis accepteres som farlige.

Systemet bygger på tidligere arbejde af Wei-Chuan Shih, lektor i el- og computerteknik, og medlemmer af hans laboratorium, herunder opdagelsen af ​​en billig elastomerlinse, der kan konvertere en grundlæggende smartphone til et mikroskop.

Den seneste opdagelse, beskrevet i journalen Analytisk kemi , kombinerer nano-kolorimetri med mørkfeltsmikroskopi, integreret i smartphone-mikroskopplatformen for at detektere niveauer af bly under sikkerhedstærsklen fastsat af Environmental Protection Agency.

"Smartphones nano-kolorimetri er hurtig, lavpris, og har potentialet til at sætte individuelle borgere i stand til at undersøge (bly)indhold i drikkevand on-demand i stort set alle miljømæssige omgivelser, " skrev forskerne.

Selv små mængder bly kan forårsage alvorlige helbredsproblemer, med små børn, der er særligt sårbare over for neurologiske skader. EPA-standarder kræver blyniveauer i drikkevand til at være under 15 dele pr. og Shih sagde, at aktuelt tilgængelige forbrugertestsæt ikke er følsomme nok til nøjagtigt at detektere bly på det niveau.

Ved at bruge en billig smartphone udstyret med en inkjet-printet linse og bruge mørkfeltsbilledtilstanden, forskere var i stand til at producere et system, der var både bærbart og nemt at betjene, samt i stand til at detektere blykoncentrationer på 5 ppm i postevand. Følsomheden nåede 1,37 dele pr. milliard i deioniseret vand.

Shih og hans elever offentliggjorde sidste år et open source-datasæt i Biomedicinsk Optik Express , forklarer, hvordan man konverterer en smartphone udstyret med elastomerlinsen til et mikroskop, der er i stand til fluorescensmikroskopi. Det papir har været tidsskriftets mest downloadede papir siden udgivelsen.

Den seneste applikation inkorporerer farveanalyse for at detektere blypartikler i nanoskala. Ud over Shih, forskere på projektet inkluderer førsteforfatter Hoang Nguyen og Yulung Sung, Kelly O'Shaughnessy og Xiaonan Shan, alle med UH Institut for El- og Computerteknik. (O'Shaughnessy var sommerpraktikant fra University of Cincinnati under National Science Foundation's Research Experiences for Undergraduates-program.)

Ved at anvende datasættet offentliggjort i 2017, forskerne byggede et selvstændigt smartphonemikroskop, der kan fungere i både fluorescens- og mørkfeltsbilledtilstande og parrede det med en billig Lumina 640-smartphone med et 8-megapixel kamera. De tilsatte postevand med varierende mængder bly, spænder fra 1,37 dele per milliard til 175 dele per milliard. De tilføjede derefter kromationer, som reagerer med blyet og danner blykromatnanopartikler; nanopartiklerne kan påvises ved at kombinere kolorimetrisk analyse og mikroskopi.

Analysen målte både intensiteten detekteret fra nanopartiklerne, relaterer det til blykoncentrationen, og verificerede, at reaktionen var ansporet af tilstedeværelsen af ​​bly.

Blandingen blev overført til en polydimethylsiloxanplade fastgjort til et objektglas; efter det er tørret, deioniseret vand blev brugt til at skylle kromatforbindelsen af, og det resterende sediment blev afbildet til analyse.

Muligheden for mikroskopi-billeddannelse viste sig at være afgørende, Shih sagde, fordi mængden af ​​sediment var for lille til at blive afbildet med et uassisteret smartphonekamera, hvilket gør det umuligt at opdage relativt lave niveauer af bly.

At bygge videre på smartphone-mikroskopplatformen for at skabe et nyttigt forbrugerprodukt var nøglen, sagde Shih. "Vi ville være sikre på, at vi kunne gøre noget, der ville være nyttigt ud fra et synspunkt om at detektere bly ved EPA-standarden, " han sagde.