De ontdekking van lood in Flint, Het drinkwater in Michigan vestigde opnieuw de aandacht op de gezondheidsrisico's van het metaal. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Houston een goedkoop systeem gemaakt met behulp van een smartphone en een lens gemaakt met een inkjetprinter die lood in kraanwater kan detecteren op niveaus die algemeen als gevaarlijk worden beschouwd.

Het systeem bouwt voort op eerder werk van Wei-Chuan Shih, universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek, en leden van zijn lab, inclusief de ontdekking van een goedkope elastomeerlens die een eenvoudige smartphone in een microscoop kan veranderen.

De laatste ontdekking, beschreven in het journaal Analytische scheikunde , combineert nano-colorimetrie met donkerveldmicroscopie, geïntegreerd in het smartphonemicroscoopplatform om loodniveaus te detecteren die onder de veiligheidsdrempel liggen die is ingesteld door de Environmental Protection Agency.

"Smartphone nano-colorimetrie is snel, goedkoop, en heeft het potentieel om individuele burgers in staat te stellen het (lood)gehalte in drinkwater on-demand in vrijwel elke omgeving te onderzoeken, ’ schreven de onderzoekers.

Zelfs kleine hoeveelheden lood kunnen ernstige gezondheidsproblemen veroorzaken, met jonge kinderen die bijzonder kwetsbaar zijn voor neurologische schade. EPA-normen vereisen dat het loodgehalte in drinkwater lager is dan 15 delen per miljard, en Shih zei dat momenteel beschikbare testkits voor consumenten niet gevoelig genoeg zijn om lood op dat niveau nauwkeurig te detecteren.

Door een goedkope smartphone te gebruiken die is uitgerust met een inkjet-geprinte lens en de dark-field imaging-modus te gebruiken, onderzoekers waren in staat om een ​​systeem te produceren dat zowel draagbaar als gemakkelijk te bedienen was, evenals in staat om loodconcentraties op 5 delen per miljard in leidingwater te detecteren. De gevoeligheid bereikte 1,37 delen per miljard in gedeïoniseerd water.

Shih en zijn studenten publiceerden vorig jaar een open-source dataset in Biomedische Optica Express , uitleggen hoe je een smartphone die is uitgerust met de elastomeerlens kan omzetten in een microscoop die geschikt is voor fluorescentiemicroscopie. Dat artikel is het meest gedownloade artikel van het tijdschrift sinds de publicatie ervan.

De nieuwste applicatie bevat kleuranalyse om looddeeltjes op nanoschaal te detecteren. Naast Shih, onderzoekers van het project zijn onder meer eerste auteur Hoang Nguyen en Yulung Sung, Kelly O'Shaughnessy en Xiaonan Shan, allemaal met de UH Department of Electrical &Computer Engineering. (O'Shaughnessy was een zomerstagiair van de Universiteit van Cincinnati in het kader van het programma Research Experiences for Undergraduates van de National Science Foundation.)

Door de in 2017 gepubliceerde dataset toe te passen, de onderzoekers bouwden een op zichzelf staande smartphonemicroscoop die kan werken in zowel fluorescentie- als donkerveldbeeldvormingsmodi en combineerden deze met een goedkope Lumina 640-smartphone met een 8-megapixelcamera. Ze verrijkten kraanwater met verschillende hoeveelheden lood, variërend van 1,37 delen per miljard tot 175 delen per miljard. Vervolgens voegden ze chromaationen toe, die reageren met het lood om loodchromaat nanodeeltjes te vormen; de nanodeeltjes kunnen worden gedetecteerd door colorimetrische analyse en microscopie te combineren.

De analyse meet zowel de intensiteit die wordt gedetecteerd van de nanodeeltjes, dat correleert met de loodconcentratie, en geverifieerd dat de reactie werd gestimuleerd door de aanwezigheid van lood.

Het mengsel werd overgebracht naar een polydimethylsiloxaanplak bevestigd aan een glasplaatje; nadat het droog was, gedeïoniseerd water werd gebruikt om de chromaatverbinding af te spoelen en het resterende sediment werd in beeld gebracht voor analyse.

De microscopische beeldvormingscapaciteit bleek essentieel, Shih zei, omdat de hoeveelheid sediment te klein was om met een smartphonecamera zonder hulp in beeld te worden gebracht, waardoor het onmogelijk is om relatief lage niveaus van lood te detecteren.

Voortbouwen op het smartphone-microscoopplatform om een ​​nuttig consumentenproduct te creëren, was de sleutel, zei Shih. "We wilden er zeker van zijn dat we iets konden doen dat nuttig zou zijn vanuit het oogpunt van het detecteren van lood volgens de EPA-standaard, " hij zei.