智能手机装置可在15分钟内检测到有害藻类

2020-09-23 53藻类

新加坡国立大学(NUS)的一个工程师团队开发了一种高度敏感的系统,它使用智能手机装置可在15分钟内检测到有害藻类。本发明可以在现场生成测试结果,并且可以使用智能手机的无线通信功能实时报告结果。

这项技术(智能手机装置可在15分钟内检测到有害藻类)突破将对防止有害微生物在水生环境中的传播起到很大的作用,这些有害微生物可能威胁全球公众健康,引发环境问题。

由国立大学工程学院土木与环境工程系助理教授Basungwoo Bae领导的研究小组将研究结果发表在科学期刊《有害藻类》上。这项研究在2019年9月最终出版之前于2019年7月在网上公布。

当前水质监测面临的挑战

湖泊、池塘、河流和沿海水域中藻类及其相关毒素的突然激增会对水质产生不利影响,进而可能对人类健康、水生生态系统和供水产生不利影响。例如,2015年,新加坡的一次水藻暴发导致500多吨鱼类死亡,一些养鱼户损失数百万美元。

传统的藻类检测和分析方法非常耗时,需要专业且昂贵的设备,以及熟练的操作员来进行水取样和测试。一种方法是使用成本超过3000新元(2200美元)的复杂仪器测试叶绿素的存在。另一种常见的方法是进行细胞仪和图像分析来检测藻类细胞——这种方法涉及的设备成本超过10万新元(7.3万美元)。

“目前,从现场采集水样,带回实验室进行检测,并分析结果,可能需要一天或更长时间。Bae副教授解释说:“由于污染源和受影响水域的管理可能会放缓,因此,对于监测藻类水华而言,这一长周期是不切实际的。”

为了应对当前水质监测方面的挑战,Bae副教授和他的团队花了一年时间开发出一种新型的设备,能够快速、高可靠性地监测微生物水质。

新的“芯片实验室”技术:更便宜、更小、灵敏度更高

美国国立大学的新发明包括三个部分——微流控芯片、智能手机和可定制的3D打印平台,其中包括便携式电源和LED灯等光电元件。

该芯片首先涂有钛氧化物酞菁,一种光电导聚合物基材料。在分析过程中,光导层起着引导水滴沿芯片运动的重要作用。

然后将镀膜芯片放在智能手机屏幕的顶部,在芯片上投射出一个明暗区域的图案。当水样滴沉积在芯片表面时,光电导层上照明的明暗区域产生的电压降差改变了水滴的表面张力。这导致水滴向黑暗的照明区域移动。同时,这种运动诱导水滴与一种化学物质混合,这种化学物质会使水样中的藻类细胞染色。这种混合物是由朝向智能手机摄像头的光模式引导的。

接下来,一个LED光源和一个嵌入3D打印平台的绿色滤光片,靠近智能手机的摄像头,为相机捕捉染色藻细胞的荧光图像创造了条件。这些图像可以发送到智能手机上的一个应用程序中,以计算样本中藻类细胞的数量。这些图像还可以通过智能手机无线发送到另一个地点,以量化藻类细胞的数量。智能手机装置可在15分钟内检测到有害藻类。

这款便携易用的设备价格不到300新元(220美元),不包括智能手机,重量也不到600克。该检测试剂盒的灵敏度也很高,因此只需要少量的水样就可以得到可靠的结果。

检测准确率高达90%

美国国立大学的研究小组使用从海洋和水库采集的水样来测试他们的系统。在水样中过滤并加入特定量的四种不同类型的产毒藻类——两种淡水藻类C.reinhardtii和M.aeruginosa,以及两种海洋水藻Amphiprora sp和C.closterium。使用新设备和血液细胞仪(一种常用于水质监测的标准细胞计数技术)进行实验,以测试藻类的存在。

新的智能手机系统能够以90%的准确率检测出这四种藻类,与血细胞仪产生的结果相当。

Bae教授说:“芯片上样品制备、数据采集和分析的结合使我们的系统独一无二。有了这个工具,水质测试可以随时随地进行。这种新的芯片清洗方法成本高,成本低。这种装置对于需要每天监测鱼塘水质的养鱼户特别有用。”

该项目由新加坡国家研究基金会通过其海洋科学研究和发展方案以及教育部提供了支助。

商业化和进一步研究

该研究小组目前正在与行业合作伙伴讨论将他们的技术商业化。

美国国立大学的研究人员也在开发一种新的微流控芯片,它可以与当前3D打印智能手机平台的改进版集成,以检测是否存在沙门氏菌和其他传染性病原体等食源性病原体。

引用

National University of Singapore. "Engineers invent smartphone device that detects harmful algae in 15 minutes: Portable, easy-to-use and low-cost technology could be used by fish farmers to monitor water quality quickly and conveniently." ScienceDaily. ScienceDaily, 7 November 2019.

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