Een team van ingenieurs van NUS heeft een zeer gevoelig systeem ontwikkeld dat met een smartphone binnen 15 minuten snel de aanwezigheid van toxineproducerende algen in water detecteert. Deze uitvinding kan ter plaatse testresultaten genereren, en bevindingen kunnen in realtime worden gerapporteerd met behulp van de draadloze communicatiemogelijkheden van de smartphone.

Deze technologische doorbraak zou een grote rol kunnen spelen bij het voorkomen van de verspreiding van schadelijke micro-organismen in aquatische milieus, die een bedreiging kunnen vormen voor de mondiale volksgezondheid en milieuproblemen kunnen veroorzaken.

Het NUS-team, onder leiding van universitair docent Bae Sung Woo van NUS Civil and Environmental Engineering, publiceerde de resultaten voor het eerst online in wetenschappelijk tijdschrift Schadelijke algen op 25 juli.

Huidige uitdagingen van monitoring van de waterkwaliteit

Een plotselinge toename van het volume van algen en de bijbehorende gifstoffen in meren, vijvers, rivieren, en kustwateren kunnen de waterkwaliteit negatief beïnvloeden, en op zijn beurt, ongunstige gevolgen kunnen hebben voor de menselijke gezondheid, aquatische ecosystemen, en watervoorziening. Bijvoorbeeld, in 2015, een algenbloei vernietigde meer dan 500 ton vis in Singapore, en zorgde ervoor dat sommige viskwekers miljoenen dollars verloren.

Conventionele methoden voor het detecteren en analyseren van algen zijn tijdrovend, en vereisen gespecialiseerde en dure apparatuur, evenals bekwame operators om watermonsters en tests uit te voeren. Een benadering is om te testen op de aanwezigheid van chlorofyl met behulp van complexe instrumenten die meer dan S $ 3 kosten, 000 (US$2, 200). Een andere veelgebruikte methode is het uitvoeren van cytometrische en beeldanalyse om algencellen te detecteren - deze methode omvat apparatuur die meer dan S $ 100 kost, 000 (€ 73,- 000).

"Momenteel, het kan een dag of langer duren om watermonsters op een locatie te verzamelen, breng ze terug naar het laboratorium om te testen, en analyseer de resultaten. Deze lange doorlooptijd is onpraktisch voor het monitoren van algenbloei, aangezien het beheer van verontreinigingsbronnen en aangetaste wateren zou kunnen worden vertraagd, " legde Asst Prof Bae uit.

Om de huidige uitdagingen op het gebied van waterkwaliteitsmonitoring aan te pakken, Asst Prof Bae en zijn team hebben een jaar nodig gehad om het nieuwe apparaat te ontwikkelen dat de microbiële waterkwaliteit snel en met hoge betrouwbaarheid bewaakt.

Nieuwe 'lab-on-a-chip'-technologie:goedkoper, kleiner en zeer gevoelig

De nieuwe NUS-uitvinding bestaat uit drie delen:een microfluïdische chip, een smartphone, en een aanpasbaar 3D-geprint platform met optische en elektrische componenten zoals een draagbare stroombron en een LED-lamp.

De chip wordt eerst gecoat met titaniumoxide ftalocyanine, een soort fotogeleidend materiaal op basis van polymeer. De fotogeleidende laag speelt de belangrijke rol van het geleiden van waterdruppels om langs de chip te bewegen tijdens het analyseproces.

De gecoate chip wordt vervolgens bovenop het scherm van een smartphone geplaatst, die een patroon van lichte en donkere gebieden op de chip projecteert. Wanneer druppeltjes van het watermonster op het oppervlak van de chip worden afgezet, een verschil in spanningsval, gecreëerd door de lichte en donkere gebieden die op de fotogeleidende laag worden verlicht, wijzigt de oppervlaktespanning van de waterdruppels. Dit zorgt ervoor dat de waterdruppels naar de donkere verlichte gebieden bewegen. Tegelijkertijd, deze beweging zorgt ervoor dat de waterdruppels zich vermengen met een chemische stof die de algencellen in het watermonster kleurt. Het mengsel wordt door de lichtpatronen naar de camera van de smartphone geleid.

Volgende, een LED-lichtbron en een groen filter ingebed in het 3D-geprinte platform, in de buurt van de camera van de smartphone, creëer de omstandigheden die geschikt zijn voor de camera om fluorescerende beelden van de gekleurde algencellen vast te leggen. De beelden kunnen naar een app op de smartphone worden gestuurd om het aantal algencellen in het monster te tellen. De beelden kunnen ook draadloos via de smartphone naar een andere locatie worden gestuurd om het aantal algencellen te kwantificeren. Het gehele analyseproces kan binnen 15 minuten worden afgerond.

Dit draagbare en gebruiksvriendelijke apparaat kost minder dan S $ 300 (US $ 220) - exclusief de smartphone - en weegt minder dan 600 gram. De testkit is ook zeer gevoelig, daarom is slechts een kleine hoeveelheid watermonster nodig om betrouwbare resultaten te genereren.

Hoge detectienauwkeurigheid van 90 procent

Het NUS-onderzoeksteam testte hun systeem met behulp van watermonsters verzameld uit de zee en reservoirs. De watermonsters werden gefilterd en verrijkt met specifieke hoeveelheden van vier verschillende soorten toxineproducerende algen - twee soorten zoetwateralgen C. reinhardti en M. aeruginosa , en twee soorten zeewateralgen Amphiprora sp en C. closterium . Experimenten met het nieuwe apparaat en een hemocytometer, een standaardtechniek voor het tellen van cellen die vaak wordt gebruikt voor het bewaken van de waterkwaliteit, werden uitgevoerd om te testen op de aanwezigheid van algen.

Het nieuwe smartphonesysteem kon de vier soorten algen met een nauwkeurigheid van 90 procent detecteren, vergelijkbaar met de resultaten van de hemocytometer.

Asst Prof Bae heeft gedeeld, "De combinatie van monstervoorbereiding op de chip, het vastleggen en analyseren van gegevens maakt ons systeem uniek. Met dit hulpmiddel, waterkwaliteitstesten kunnen altijd en overal worden uitgevoerd. Deze nieuwe methode is ook zeer kostenefficiënt omdat de microfluïdische chip kan worden gewassen en hergebruikt. Dit apparaat zal vooral handig zijn voor viskwekers die de waterkwaliteit van hun visvijvers dagelijks moeten controleren."

Dit project werd ondersteund door de National Research Foundation Singapore via haar Marine Science Research and Development Programme, en het ministerie van Onderwijs.

Commercialisering en verdere studies

Het onderzoeksteam is momenteel in gesprek met industriële partners om hun technologie te commercialiseren.

De NUS-onderzoekers ontwikkelen ook een nieuwe microfluïdische chip die kan worden geïntegreerd met een aangepaste versie van het huidige 3D-geprinte smartphoneplatform om de aanwezigheid van door voedsel overgedragen pathogenen zoals salmonella en andere infectieuze pathogenen te detecteren.