Ett team av ingenjörer från NUS har utvecklat ett mycket känsligt system som använder en smartphone för att snabbt upptäcka förekomsten av toxinproducerande alger i vatten inom 15 minuter. Denna uppfinning kan generera testresultat på plats, och fynd kan rapporteras i realtid med hjälp av smarttelefonens trådlösa kommunikationsmöjligheter.

Detta tekniska genombrott kan spela en stor roll för att förhindra spridning av skadliga mikroorganismer i vattenmiljöer, som kan hota den globala folkhälsan och orsaka miljöproblem.

NUS-teamet, leds av biträdande professor Bae Sung Woo från NUS Civil and Environmental Engineering, publicerade först resultaten online i en vetenskaplig tidskrift Skadliga alger den 25 juli.

Aktuella utmaningar för övervakning av vattenkvalitet

En plötslig ökning av volymen av alger och deras associerade gifter i sjöar, dammar, floder, och kustvatten kan påverka vattenkvaliteten negativt, och i sin tur, kan ha ogynnsamma effekter på människors hälsa, akvatiska ekosystem, och vattenförsörjning. Till exempel, under 2015, en algblomning utplånade mer än 500 ton fisk i Singapore, och fick vissa fiskodlare att förlora miljontals dollar.

Konventionella metoder för att detektera och analysera alger är tidskrävande, och kräver specialiserad och kostsam utrustning, samt skickliga operatörer för att utföra vattenprovtagning och testning. Ett tillvägagångssätt är att testa förekomsten av klorofyll med hjälp av komplexa instrument som kostar mer än S$3, 000 (2 USD, 200). En annan vanlig metod är att utföra cytometrisk analys och bildanalys för att detektera algceller – den här metoden involverar utrustning som kostar mer än 100 S$, 000 (73 USD, 000).

"För närvarande, det kan ta en dag eller mer att samla in vattenprover från en plats, ta dem tillbaka till laboratoriet för testning, och analysera resultaten. Denna långa ledtid är opraktisk för övervakning av algblomning, eftersom hanteringen av föroreningskällor och påverkade vatten kan bromsas upp, " förklarade Asst Prof Bae.

För att ta itu med de nuvarande utmaningarna inom övervakning av vattenkvalitet, Asst Prof Bae och hans team tog ett år att utveckla den nya enheten som övervakar mikrobiell vattenkvalitet snabbt och med hög tillförlitlighet.

Ny "lab-on-a-chip"-teknik:billigare, mindre och mycket känslig

Den nya NUS-uppfinningen består av tre sektioner – ett mikrofluidchip, en smartphone, och en anpassningsbar 3D-tryckt plattform som rymmer optiska och elektriska komponenter som en bärbar strömkälla och en LED-lampa.

Chipset är först belagt med titanoxidftalocyanin, en typ av fotokonduktivt polymerbaserat material. Det fotokonduktiva skiktet spelar den viktiga rollen att styra vattendroppar att röra sig längs chippet under analysprocessen.

Det belagda chippet placeras sedan ovanpå skärmen på en smartphone, som projicerar ett mönster av ljusa och mörka områden på chipet. När droppar av vattenprovet avsätts på ytan av chipet, en spänningsfallsskillnad, skapas av de ljusa och mörka områdena upplysta på det fotokonduktiva lagret, modifierar vattendropparnas ytspänning. Detta gör att vattendropparna rör sig mot de mörkt upplysta områdena. På samma gång, denna rörelse får vattendropparna att blandas med en kemikalie som färgar algceller som finns i vattenprovet. Blandningen styrs av ljusmönstren mot kameran på smartphonen.

Nästa, en LED-ljuskälla och ett grönt filter inbäddat i den 3D-tryckta plattformen, nära kameran på smartphonen, skapa förutsättningar för kameran att ta fluorescerande bilder av de färgade algcellerna. Bilderna kan skickas till en app på smartphonen för att räkna antalet algceller som finns i provet. Bilderna kan även skickas trådlöst till en annan plats via smarttelefonen för att kvantifiera antalet algceller. Hela analysprocessen kan slutföras inom 15 minuter.

Den här bärbara och lättanvända enheten kostar mindre än 300 USD (220 USD) – exklusive smartphonen – och väger mindre än 600 gram. Testkitet är också mycket känsligt, därför behövs endast en liten mängd vattenprov för att generera tillförlitliga resultat.

Hög detektionsnoggrannhet på 90 procent

NUS forskarteam testade sitt system med hjälp av vattenprover från havet och reservoarerna. Vattenproverna filtrerades och spetsades med specifika mängder av fyra olika typer av toxinproducerande alger - två typer av sötvattensalger C. reinhardtii och M. aeruginosa , och två typer av marina vattenalger Amphiprora sp och C. closterium . Experiment med den nya enheten och en hemocytometer, en standardcellräkningsteknik som vanligtvis används för övervakning av vattenkvalitet, utfördes för att testa förekomsten av alger.

Det nya smarttelefonsystemet kunde detektera de fyra typerna av alger med en noggrannhet på 90 procent, jämförbara med resultaten som genereras av hemocytometern.

Asst Prof Bae delade, "Kombinationen av provberedning på chipet, datainsamling och analys gör vårt system unikt. Med detta verktyg, vattenkvalitetstester kan utföras när som helst och var som helst. Denna nya metod är också mycket kostnadseffektiv eftersom mikrofluidchipet kan tvättas och återanvändas. Den här enheten kommer att vara särskilt användbar för fiskodlare som behöver övervaka vattenkvaliteten i sina fiskdammar dagligen."

Detta projekt stöddes av National Research Foundation Singapore genom dess Marine Science Research and Development Program, och utbildningsdepartementet.

Kommersialisering och vidare studier

Forskargruppen diskuterar för närvarande med industripartners för att kommersialisera sin teknologi.

NUS-forskarna utvecklar också ett nytt mikrofluidiskt chip som kan integreras med en modifierad version av den nuvarande 3-D-printade smartphoneplattformen för att upptäcka närvaron av livsmedelsburna patogener som salmonella och andra infektiösa patogener.