Under de senaste 10 åren, skadlig algblomning – plötslig ökning av populationen av alger, vanligtvis i kustområden och sötvattensystem - har blivit ett allvarligare problem för det marina livet i hela USA. Blomningarna består av växtplankton, som naturligt producerar biotoxiner, och dessa toxiner kan påverka inte bara fisk och växtliv i vattnet, men även däggdjur, fåglar och människor som bor nära dessa områden.

Enligt National Oceanic and Atmospheric Administration, händelserna har blivit vanligare och inträffar i fler regioner runt om i världen än någonsin tidigare.

Möjligheten att förutse skadliga algblomningar och deras lägen, storlek och svårighetsgrad kan hjälpa forskare att förhindra deras farliga effekter. Men det har varit svårt att förutse när och var blomningarna kommer att ske.

Nu, UCLA-forskare har utvecklat en billig och bärbar enhet som kan analysera vattenprover omedelbart, vilket skulle ge marinbiologer realtidsinsikt om möjligheten att algblomningen kan inträffa i området de testar. Den där, i tur och ordning, skulle tillåta tjänstemän som förvaltar kustområden att förbättra, snabbare beslut om, till exempel, att stänga stränder och skaldjursbäddar innan algblomning orsakar allvarliga skador.

UCLA-forskare skapade en ny flödescytometer - som upptäcker och mäter de fysiska och kemiska egenskaperna hos små föremål i ett prov - baserad på holografisk avbildning och artificiell intelligens. Den kan snabbt analysera sammansättningen av olika planktonarter inom några sekunder, mycket snabbare än den nuvarande standardmetoden, vilket innebär att man samlar in vattenprover manuellt och kör dem genom flera steg.

Forskningen, som publicerades online av Ljus:Vetenskap och applikationer och kommer att visas i tidskriftens tryckta upplaga, leddes av Aydogan Ozcan, UCLA kanslerens professor i el- och datateknik och associerad direktör för California NanoSystems Institute vid UCLA.

Det växande hotet från blomningar orsakas delvis av högre vattentemperatur på grund av klimatförändringar, och delvis av höga halter av näringsämnen (främst fosfor, kväve och kol) från gödselmedel som används för gräsmattor och jordbruksmark.

De giftiga föreningar som produceras av blomningarna kan tömma syre från vattnet och kan blockera solljus från att nå fiskar och vattenväxter, som får dem att dö eller migrera någon annanstans. Dessutom, fisk och närliggande vilda djur kan till och med få i sig gifterna; och i vissa sällsynta fall, om de är tillräckligt nära blommorna, människor kan andas in dem vilket kan påverka nervsystemet, hjärna och lever, och så småningom leda till döden.

Forskare har i allmänhet försökt förstå algblomningar genom manuell provtagning och traditionell ljusmikroskopi, som de använder för att skapa högupplösta kartor som visar en växtplanktonsammansättning i det området under långa tidsperioder. För att bygga dessa kartor, tekniker måste samla in vattenprover för hand med planktonnät och sedan ta med dem till ett laboratorium för analys. Processen är utmanande delvis eftersom koncentrationen och sammansättningen av alger i en viss vattenförekomst kan förändras snabbt – även under den tid det tar att analysera prover.

Enheten som skapats av Ozcan och hans kollegor påskyndar hela processen och, eftersom det inte använder linser eller andra optiska komponenter, den utför testningen till en mycket lägre kostnad. Den avbildar algprover - och kan skanna ett brett spektrum av andra ämnen, också - med hjälp av holografi och artificiell intelligens.

Kommersiellt tillgängliga bildflödescytometrar som används i miljömikrobiologi kan kosta från $ 40, 000 till $100, 000, vilket har begränsat deras utbredda användning. UCLA-cytometern är kompakt och lätt, och den kan monteras från delar som kostar mindre än $ 2, 500.

En utmaning som forskarna var tvungna att övervinna var att se till att enheten skulle ha tillräckligt med ljus för att skapa väl upplysta, höghastighetsbilder utan rörelseoskärpa.

"Det liknar att ta en bild av en Formel 1 racerbil, " sa Ozcan. "Kameraren behöver en mycket kort exponering för att undvika rörelseoskärpa. I vårat fall, det betyder att man använder en mycket ljus, pulserande ljuskälla med en pulslängd ungefär en tusendels längd av ett ögonblick. "

För att testa enheten, forskarna mätte havsprover längs Los Angeles kustlinje och fick bilder av dess växtplanktonsammansättning. De mätte också koncentrationen av en potentiellt giftig alg som heter Pseudo-nitzschia längs sex offentliga stränder i regionen. UCLA-forskarnas mätningar var jämförbara med de i en nyligen genomförd studie av California Department of Public Healths Marine Biotoxin Monitoring Program.

Zoltán Gӧrӧcs, en UCLA-postdoktor och studiens första författare, sa forskarna är i färd med att diskutera sin nya enhet med marinbiologer för att avgöra var den skulle vara mest användbar.

"Vår enhet kan anpassas för att titta på större organismer med högre genomströmning eller titta på mindre med bättre bildkvalitet samtidigt som vi offra en del av genomströmningen, " han sa.