Upptäckten av bly i Flint, Michigans dricksvatten väckte förnyad uppmärksamhet till hälsoriskerna som metallen utgör. Nu har forskare vid University of Houston skapat ett billigt system med en smartphone och en lins gjord med en bläckstråleskrivare som kan upptäcka bly i kranvatten på nivåer som allmänt accepteras som farliga.

Systemet bygger på tidigare arbete av Wei-Chuan Shih, docent i el- och datateknik, och medlemmar av hans labb, inklusive upptäckten av en billig elastomerlins som kan omvandla en grundläggande smartphone till ett mikroskop.

Den senaste upptäckten, beskrivs i journalen Analytisk kemi , kombinerar nano-kolorimetri med mörkfältsmikroskopi, integreras i smartphonemikroskopplattformen för att upptäcka nivåer av bly under säkerhetströskeln som fastställts av Environmental Protection Agency.

"Smartphones nano-kolorimetri är snabb, låg kostnad, och har potential att göra det möjligt för enskilda medborgare att undersöka (bly)innehåll i dricksvatten på begäran i praktiskt taget vilken miljö som helst, " skrev forskarna.

Även små mängder bly kan orsaka allvarliga hälsoproblem, med små barn som är särskilt utsatta för neurologiska skador. EPA-standarder kräver att blynivåerna i dricksvattnet är under 15 delar per miljard, och Shih sa att för närvarande tillgängliga konsumenttestsatser inte är tillräckligt känsliga för att exakt upptäcka bly på den nivån.

Genom att använda en billig smartphone utrustad med en bläckstråleskriven lins och använda mörkfältsbildläget, forskare kunde producera ett system som var både bärbart och lätt att använda, samt kunna upptäcka blykoncentrationer på 5 delar per miljard i kranvatten. Känsligheten nådde 1,37 delar per miljard i avjoniserat vatten.

Shih och hans elever publicerade förra året en datauppsättning med öppen källkod i Biomedicinsk Optik Express , förklara hur man omvandlar en smartphone utrustad med elastomerlinsen till ett mikroskop som kan fluorescensmikroskopi. Den tidskriften har varit tidskriftens mest nedladdade tidning sedan den publicerades.

Den senaste applikationen innehåller färganalys för att detektera blypartiklar i nanoskala. Förutom Shih, forskare på projektet inkluderar första författaren Hoang Nguyen och Yulung Sung, Kelly O'Shaughnessy och Xiaonan Shan, allt med UH-avdelningen för el- och datateknik. (O'Shaughnessy var sommarpraktikant från University of Cincinnati under National Science Foundation's Research Experiences for Bachelor-program.)

Genom att tillämpa datamängden som publicerades 2017, forskarna byggde ett fristående smartphonemikroskop som kan fungera i både fluorescens- och mörkfältsbildlägen och parade ihop det med en billig Lumina 640-smarttelefon med en 8-megapixelkamera. De spetsade kranvatten med varierande mängd bly, allt från 1,37 delar per miljard till 175 delar per miljard. De tillsatte sedan kromatjoner, som reagerar med blyet för att bilda blykromatnanopartiklar; nanopartiklarna kan detekteras genom att kombinera kolorimetrisk analys och mikroskopi.

Analysen mätte både intensiteten detekterad från nanopartiklarna, koppla det till blykoncentrationen, och verifierade att reaktionen sporrades av närvaron av bly.

Blandningen överfördes till en polydimetylsiloxanplatta fäst vid en glasskiva; efter att den torkat, avjoniserat vatten användes för att skölja bort kromatföreningen och det återstående sedimentet avbildades för analys.

Möjligheten att avbilda mikroskopi visade sig vara väsentlig, Shih sa, eftersom mängden sediment var för liten för att avbildas med en smartphonekamera utan hjälp, vilket gör det omöjligt att upptäcka relativt låga halter av bly.

Att bygga vidare på smartphonemikroskopplattformen för att skapa en användbar konsumentprodukt var nyckeln, sa Shih. "Vi ville vara säkra på att vi kunde göra något som skulle vara användbart ur synvinkeln att detektera bly enligt EPA-standarden, " han sa.