Un team di ingegneri di NUS ha sviluppato un sistema altamente sensibile che utilizza uno smartphone per rilevare rapidamente la presenza di alghe produttrici di tossine nell'acqua entro 15 minuti. Questa invenzione può generare risultati di test in loco, e i risultati possono essere riportati in tempo reale utilizzando le funzionalità di comunicazione wireless dello smartphone.

Questa svolta tecnologica potrebbe svolgere un ruolo importante nella prevenzione della diffusione di microrganismi dannosi negli ambienti acquatici, che potrebbero minacciare la salute pubblica globale e causare problemi ambientali.

Il team NUS, guidato dall'assistente professore Bae Sung Woo della NUS Civil and Environmental Engineering, ha pubblicato per la prima volta i risultati online su una rivista scientifica Alghe nocive il 25 luglio.

Sfide attuali del monitoraggio della qualità dell'acqua

Un improvviso aumento del volume delle alghe e delle tossine associate nei laghi, stagni, fiumi, e le acque costiere possono influire negativamente sulla qualità dell'acqua, e a sua volta, possono avere effetti sfavorevoli sulla salute umana, ecosistemi acquatici, e approvvigionamento idrico. Ad esempio, nel 2015, una fioritura di alghe ha spazzato via più di 500 tonnellate di pesci a Singapore, e ha fatto perdere milioni di dollari ad alcuni piscicoltori.

I metodi convenzionali di rilevamento e analisi delle alghe richiedono molto tempo, e richiedono attrezzature specializzate e costose, nonché operatori qualificati per condurre campionamenti e analisi dell'acqua. Un approccio è testare la presenza di clorofilla utilizzando strumenti complessi che costano più di S$3, 000 ($2, 200). Un altro metodo comune consiste nell'eseguire analisi citometriche e di immagine per rilevare le cellule algali:questo metodo prevede apparecchiature che costano più di S $ 100, 000 (73 USD, 000).

"Attualmente, può volerci un giorno o più per raccogliere campioni d'acqua da un sito, riportarli al laboratorio per i test, e analizzare i risultati. Questo lungo tempo di consegna non è pratico per il monitoraggio delle fioriture di alghe, poiché la gestione delle fonti di contaminazione e delle acque colpite potrebbe essere rallentata, " ha spiegato Asst Prof Bae.

Per affrontare le attuali sfide nel monitoraggio della qualità dell'acqua, Asst Prof Bae e il suo team hanno impiegato un anno per sviluppare il nuovo dispositivo che monitora la qualità microbica dell'acqua rapidamente e con elevata affidabilità.

Nuova tecnologia "lab-on-a-chip":più economica, più piccolo e molto sensibile

La nuova invenzione NUS comprende tre sezioni:un chip microfluidico, uno smartphone, e una piattaforma stampata in 3D personalizzabile che ospita componenti ottici ed elettrici come una fonte di alimentazione portatile e una luce a LED.

Il chip viene prima rivestito con ftalocianina di ossido di titanio, un tipo di materiale a base di polimeri fotoconduttori. Lo strato fotoconduttivo svolge l'importante ruolo di guidare le gocce d'acqua a muoversi lungo il chip durante il processo di analisi.

Il chip rivestito viene quindi posizionato sulla parte superiore dello schermo di uno smartphone, che proietta uno schema di regioni chiare e scure sul chip. Quando le gocce del campione d'acqua si depositano sulla superficie del chip, una differenza di caduta di tensione, creato dalle aree chiare e scure illuminate sullo strato fotoconduttivo, modifica la tensione superficiale delle gocce d'acqua. Ciò fa sì che le gocce d'acqua si spostino verso le aree illuminate scure. Allo stesso tempo, questo movimento induce le gocce d'acqua a mescolarsi con una sostanza chimica che colora le cellule di alghe presenti nel campione d'acqua. La miscela è guidata dai modelli di luce verso la fotocamera dello smartphone.

Prossimo, una sorgente luminosa a LED e un filtro verde incorporati nella piattaforma stampata in 3D, vicino alla fotocamera dello smartphone, creare le condizioni adatte alla fotocamera per catturare immagini fluorescenti delle cellule di alghe colorate. Le immagini possono essere inviate a un'app sullo smartphone per contare il numero di cellule di alghe presenti nel campione. Le immagini possono anche essere inviate in modalità wireless a un'altra posizione tramite lo smartphone per quantificare il numero di cellule di alghe. L'intero processo di analisi può essere completato entro 15 minuti.

Questo dispositivo portatile e facile da usare costa meno di S $ 300 (US $ 220), escluso lo smartphone, e pesa meno di 600 grammi. Il kit di test è anche altamente sensibile, quindi è necessaria solo una piccola quantità di campione d'acqua per generare risultati affidabili.

Elevata precisione di rilevamento del 90 percento

Il team di ricerca del NUS ha testato il proprio sistema utilizzando campioni di acqua raccolti dal mare e dai bacini idrici. I campioni di acqua sono stati filtrati e addizionati con quantità specifiche di quattro diversi tipi di alghe che producono tossine:due tipi di alghe d'acqua dolce C. reinhardtii e M. aeruginosa , e due tipi di alghe marine Amphiprora sp e C. closterium . Esperimenti utilizzando il nuovo dispositivo e un emocitometro, una tecnica standard di conteggio delle cellule comunemente usata per il monitoraggio della qualità dell'acqua, sono stati condotti per verificare la presenza di alghe.

Il nuovo sistema smartphone è stato in grado di rilevare i quattro tipi di alghe con una precisione del 90 percento, confrontabile con i risultati generati dall'emocitometro.

Asst Prof Bae ha condiviso, "La combinazione di preparazione del campione su chip, l'acquisizione e l'analisi dei dati rende il nostro sistema unico. Con questo strumento, i test sulla qualità dell'acqua possono essere condotti sempre e ovunque. Questo nuovo metodo è anche molto conveniente in quanto il chip microfluidico può essere lavato e riutilizzato. Questo dispositivo sarà particolarmente utile per gli allevatori di pesci che hanno bisogno di monitorare quotidianamente la qualità dell'acqua dei loro laghetti."

Questo progetto è stato sostenuto dalla National Research Foundation di Singapore attraverso il suo programma di ricerca e sviluppo di scienze marine, e il Ministero della Pubblica Istruzione.

Commercializzazione e ulteriori studi

Il team di ricerca sta attualmente discutendo con i partner del settore per commercializzare la loro tecnologia.

I ricercatori del NUS stanno anche sviluppando un nuovo chip microfluidico che può essere integrato con una versione modificata dell'attuale piattaforma di smartphone stampata in 3D per rilevare la presenza di agenti patogeni di origine alimentare come la salmonella e altri agenti patogeni infettivi.