Обнаружение свинца в питьевой воде во Флинте, штат Мичиган, вновь привлекло внимание к рискам для здоровья, связанным с этим металлом. Теперь исследователи из Университета Хьюстона создали недорогую систему с использованием смартфона и линзы, изготовленной с помощью струйного принтера, которая может обнаруживать свинец в водопроводной воде в концентрациях, которые обычно считаются опасными.
Система основана на более ранней работе Вей-Чуан Ши, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники, и сотрудников его лаборатории, включая открытие недорогой линзы из эластомера, которая может превратить обычный смартфон в микроскоп.
Последнее открытие, описанное в журнале Analytical Chemistry, сочетает наноколориметрию с микроскопией в темном поле, интегрированную в платформу микроскопа смартфона для обнаружения уровней свинца ниже порога безопасности, установленного Агентством по охране окружающей среды.
«Нано-колориметрия смартфона является быстрой, недорогой и потенциально может позволить отдельным гражданам исследовать содержание (свинца) в питьевой воде по требованию практически в любых условиях окружающей среды», - пишут исследователи.
Даже небольшое количество свинца может вызвать серьезные проблемы со здоровьем, причем маленькие дети особенно уязвимы для неврологических нарушений. Стандарты EPA требуют, чтобы уровень свинца в питьевой воде был ниже 15 частей на миллиард, и Ши сказал, что имеющиеся в настоящее время потребительские тестовые наборы недостаточно чувствительны для точного обнаружения свинца при таком уровне.
Используя недорогой смартфон, оснащенный линзой, напечатанной на струйном принтере, и используя режим визуализации в темном поле, исследователи смогли создать портативную и простую в эксплуатации систему, а также способную определять концентрацию свинца. 5 частей на миллиард в водопроводной воде. Чувствительность достигала 1,37 частей на миллиард в деионизированной воде.
Ших и его студенты в прошлом году опубликовали набор данных с открытым исходным кодом в Biomedical Optics Express, объясняющий, как превратить смартфон, оснащенный линзой из эластомера, в микроскоп, способный выполнять флуоресцентную микроскопию. Эта статья была самой часто загружаемой статьей журнала с момента ее публикации.
Последнее приложение включает анализ цвета для обнаружения наноразмерных частиц свинца. Помимо Ши, в число исследователей проекта входят первый автор Хоанг Нгуен и Юлунг Сунг, Келли О'Шонесси и Сяонан Шан, все из Департамента электротехники и вычислительной техники Университета штата Нью-Йорк. (О'Шонесси проходил летнюю стажировку в Университете Цинциннати в рамках программы Национального научного фонда «Исследовательский опыт для студентов».)
Применяя набор данных, опубликованный в 2017 году, исследователи создали автономный микроскоп для смартфона, который может работать как в режиме флуоресценции, так и в режиме темного поля, и соединили его с недорогим смартфоном Lumina 640 с 8-мегапиксельной камерой. Они добавили в водопроводную воду различное количество свинца, от 1,37 до 175 частей на миллиард. Затем они добавили ионы хромата, которые реагируют со свинцом с образованием наночастиц хромата свинца; наночастицы могут быть обнаружены путем сочетания колориметрического анализа и микроскопии.
Анализ измерял как интенсивность, обнаруженную в наночастицах, коррелируя ее с концентрацией свинца, так и подтверждал, что реакция была вызвана присутствием свинца.
Смесь переносили на пластину из полидиметилсилоксана, прикрепленную к предметному стеклу; после высыхания деионизированная вода использовалась для смывания хроматного соединения, а оставшийся осадок визуализировался для анализа.
Возможность микроскопии изображений оказалась необходимой, сказал Ши, потому что количество осадка было слишком малым, чтобы его можно было увидеть с помощью камеры смартфона без посторонней помощи, что делает невозможным обнаружение относительно низких уровней содержания свинца.
Опираясь на платформу смартфона-микроскопа для создания полезного потребительского продукта, было ключевым моментом, сказал Ши. «Мы хотели быть уверены, что сможем сделать что-то полезное с точки зрения обнаружения свинца в соответствии со стандартом EPA», - сказал он..