{{{sourceTextContent.title}}}

NUS-Ingenieure erfinden ein Smartphone-Sensorgerät, das Algen schnell erkennt

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Ein Team von Ingenieuren der National University of Singapore (NUS) hat ein hochsensibles System entwickelt, das mit einem Smartphone das Vorhandensein von toxinproduzierenden Algen im Wasser innerhalb von 15 Minuten erkennt. Das System kann Testergebnisse vor Ort generieren und die Ergebnisse in Echtzeit mit Hilfe der drahtlosen Kommunikationsfunktionen des Smartphones melden.

{{{sourceTextContent.description}}}

Nach Ansicht der Forscher könnte dieser technologische Durchbruch eine große Rolle bei der Verhinderung der Ausbreitung schädlicher Mikroorganismen in Gewässern spielen, die die globale öffentliche Gesundheit gefährden und Umweltprobleme verursachen könnten.

Das NUS-Team unter der Leitung von Assistant Professor Sungwoo Bae vom Department of Civil and Environmental Engineering an der NUS Faculty of Engineering veröffentlichte die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Harmful Alge.Konventionelle Algenerkennungs- und Analysemethoden sind zeitaufwendig und erfordern spezielle, teure Geräte sowie qualifizierte Bediener, um Wasserproben und -tests durchzuführen. Ein Ansatz besteht darin, das Vorhandensein von Chlorophyll mit komplexen Instrumenten, die mehr als S2.000 kosten, zu testen.

"Derzeit kann es einen Tag oder mehr dauern, um Wasserproben von einem Standort zu sammeln, sie zum Labor zurückzubringen, um sie zu testen und die Ergebnisse zu analysieren. Diese lange Vorlaufzeit ist für die Überwachung von Algenblüten unpraktisch, da das Management von Kontaminationsquellen und betroffenen Gewässern verlangsamt werden könnte", erklärte Bae.

Um die aktuellen Herausforderungen bei der Überwachung der Wasserqualität zu bewältigen, haben Bae und sein Team ein Jahr lang ein Gerät entwickelt, das die mikrobielle Wasserqualität schnell und mit hoher Zuverlässigkeit überwacht.

Die NUS-Erfindung umfasst drei Bereiche - einen mikrofluidischen Chip, ein Smartphone und eine anpassbare 3D-Druckplattform, die optische und elektrische Komponenten wie eine tragbare Stromquelle und ein LED-Licht enthält.

Der Chip wird zunächst mit Titanoxidphthalocyanin beschichtet, einer Art photoleitfähigem Material auf Polymerbasis. Die photoleitende Schicht leitet Wassertropfen während des Analyseprozesses entlang des Chips.

Der beschichtete Chip wird dann auf den Bildschirm eines Smartphones gelegt, das ein Muster aus hellen und dunklen Bereichen auf den Chip projiziert. Wenn Tröpfchen der Wasserprobe auf der Oberfläche des Chips abgeschieden werden, verändert eine Spannungsabfall-Differenz, die durch die auf der photoleitenden Schicht beleuchteten hellen und dunklen Bereiche erzeugt wird, die Oberflächenspannung der Wassertröpfchen. Dadurch bewegen sich die Wassertropfen in Richtung der dunkel beleuchteten Bereiche. Diese Bewegung bewirkt, dass sich die Wassertropfen mit einer Chemikalie vermischen, die die in der Wasserprobe vorhandenen Algenzellen färbt. Die Mischung wird durch die Lichtmuster zur Kamera des Smartphones geführt.

Anschließend schaffen eine LED-Lichtquelle und ein in die 3D-Druckplattform eingebetteter Grünfilter in der Nähe der Kamera des Smartphones die Voraussetzungen für die Kamera, um fluoreszierende Bilder der gefärbten Algenzellen aufzunehmen. Die Bilder können an eine App auf dem Smartphone gesendet werden, um die Anzahl der in der Probe vorhandenen Algenzellen zu zählen. Die Bilder können auch drahtlos über das Smartphone an einen anderen Ort gesendet werden, um die Anzahl der Algenzellen zu bestimmen. Der gesamte Analyseprozess kann innerhalb von 15 Minuten abgeschlossen werden.

Das tragbare Gerät kostet weniger als 220 US-Dollar, ohne das Smartphone, und wiegt weniger als 600 Gramm. Der Testkit ist ebenfalls hochempfindlich und benötigt nur eine kleine Wasserprobe, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.

Das NUS-Forschungsteam testete sein System mit Wasserproben, die aus dem Meer und Reservoiren entnommen wurden. Die Wasserproben wurden filtriert und mit spezifischen Mengen von vier verschiedenen Arten von toxinproduzierenden Algen gespickt - zwei Arten von Süßwasseralgen, C. reinhardtii und M. aeruginosa, und zwei Arten von Meerwasseralgen, Amphiprora sp und C. closterium. Experimente mit dem neuen Gerät und einem Hämocytometer, einer Standard-Zellzählmethode, die häufig zur Überwachung der Wasserqualität verwendet wird, wurden durchgeführt, um das Vorhandensein von Algen zu testen.

Das Smartphone-System konnte die vier Algenarten mit einer Genauigkeit von 90% erkennen, vergleichbar mit den Ergebnissen des Hämocytometers.