Forskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat en bärbar enhet, inspirerad av människokroppens förmåga, för att upptäcka spårhalter av tungmetaller i dricksvatten på bara fem minuter.

Hemligheten ligger i en organisk substans i den cirkulerande mänskliga blodomloppet, kallas ett kelatbildande medel, som kan detektera och binda till tungmetalljoner. Efter bindning, det förhindrar tungmetalljonerna från att interagera med andra molekyler och enzymer i kroppen, och markerar det för utsöndring från kroppen.

Att kombinera ett kelatbildande medel med ett optiskt mätsystem, Docent Yong Ken-Tye och professor Tjin Swee Chuan från School of Electrical and Electronic Engineering utvecklade en enhet som genererar testresultat snabbt utan att behöva ta tillbaka prover, vilket gör enheten bekväm för vattentestning på plats. Den kan också integreras i hushållsapparater, såsom vattenfiltreringssystem.

Dricksvattenkvaliteten övervakas vanligtvis via laboratorietester eftersom tungmetaller inte kan identifieras med färg, smak, eller lukt, om det inte finns på höga nivåer. Laboratorietester, även om det är mycket exakt, ta minst en dag att slutföra.

Det finns några bärbara enheter på marknaden som snabbt kan upptäcka tungmetallföroreningar, men kan kräva det ytterligare steget att blanda vattenprovet med en buffertlösning innan testet kan utföras. Sensorn för sådana kit måste också användas inom 30 minuter efter att den exponerats för luft, eftersom sensorns effektivitet kan påverkas av luft, värme, eller fuktighet.

Andra mobila alternativ inkluderar de som använder metallelektroder som kvicksilver som avkänningssond, som kan föra in tungmetallföroreningar tillbaka i miljön, och testremsor som ändrar färg när de kommer i kontakt med tungmetaller men leder till resultat som är beroende av subjektiva avläsningar av remsan.

NTU-uppfinningen rapporteras i en artikel publicerad i den vetenskapliga tidskriften ACS-sensorer fungerar i fält och kräver bara några droppar av ett vattenprov i en engångssensorpatron för att upptäcka tungmetaller med delar per miljard precision.

Denna känslighetsnivå är i linje med säkerhetsgränskraven i Singapore som faller inom Världshälsoorganisationens standarder. Till exempel, enheten kan upptäcka blynivåer på 5 delar per miljard, vilket är lägre än gränsen på 10 delar per miljard som anges av Environmental Public Health Act i Singapore.

Känsligheten hos sensorn i NTU-handhållen enhet begränsas inte heller av exponering för luft, och förblir effektiv upp till en temperatur på 40°C.

Docent Prof Yong Ken-Tye, innehavare av NTU Provost's Chair in Electrical and Electronic Engineering, sa, "Vår enhet kan utföra vattenkvalitetstester på plats snabbt och kan upptäcka upp till 24 typer av metallföroreningar, vilket är dubbelt så stor kapacitet som andra kommersiellt tillgängliga vattensensorer.

"Att använda ett kelatbildande medel i enheten säkerställer att dess sensor är lika känslig för att upptäcka tungmetaller som kroppens naturliga försvarsmekanism mot metallförgiftning."

Inspirerad av kroppens metallavkänningsmekanism

Enheten innefattar en optisk fibersensor modifierad med ett kelatbildande medel, och en laser som lyser igenom den. Denna sensor är ansluten till en processenhet som visar resultaten av vattenkvalitetstestet (se bilden nedan).

I ett vattenprov kontaminerat av tungmetaller, metalljonerna kommer att binda till kelatbildaren på den optiska fibersensorn. Detta inducerar en förskjutning i utgående ljusspektrum, från vilken enhetens bearbetningsenhet sedan beräknar koncentrationen av tungmetaller i provet. Processen tar cirka fem minuter.

Professor Tjin Swee Chuan, som också är NTU:s Associate Provost (Graduate Education &Lifelong Learning), sa, "Enheten kan enkelt integreras i vilken befintlig vattenreningsanläggning som helst. Även om vår produkt är tillräckligt konkurrenskraftig för att penetrera marknaden, vi arbetar fortfarande med att förbättra och utöka vår produktlinje för vattensensorer. Till exempel, vi undersöker sätt att översätta denna teknik för hushållsbruk, såsom i hushållsvattenfiltreringssystem och elektriska vattenkokare."

Efter att ha lämnat in två patent, NTU-teamet har nu framgångsrikt införlivat en spin-off, Vattenply. Det arbetar nu med andra lokala företag för att samla in mer data genom sin uppfinning för att förbättra enhetens noggrannhet.

Waterply samarbetar också med ett statligt ägt företag i Kina för att utveckla nästa generations vattensensorer som kan hantera vattenföroreningar.