Uma equipe de engenheiros da NUS desenvolveu um sistema altamente sensível que usa um smartphone para detectar rapidamente a presença de algas produtoras de toxinas na água em 15 minutos. Esta invenção pode gerar resultados de teste no local, e as descobertas podem ser relatadas em tempo real usando os recursos de comunicação sem fio do smartphone.

Este avanço tecnológico pode desempenhar um grande papel na prevenção da propagação de microorganismos nocivos em ambientes aquáticos, que podem ameaçar a saúde pública global e causar problemas ambientais.

A equipe NUS, liderado pelo professor assistente Bae Sung Woo da NUS Civil and Environmental Engineering, publicou pela primeira vez os resultados online em jornal científico Algas Prejudiciais em 25 de julho.

Desafios atuais do monitoramento da qualidade da água

Um aumento repentino no volume de algas e suas toxinas associadas em lagos, lagoas, rios, e as águas costeiras podem afetar negativamente a qualidade da água, e, por sua vez, pode ter efeitos desfavoráveis ​​na saúde humana, ecossistemas aquáticos, e abastecimento de água. Por exemplo, em 2015, uma proliferação de algas destruiu mais de 500 toneladas de peixes em Cingapura, e fez com que alguns piscicultores perdessem milhões de dólares.

Os métodos convencionais de detecção e análise de algas são demorados, e requerem equipamentos especializados e caros, bem como operadores qualificados para realizar amostragens e testes de água. Uma abordagem é testar a presença de clorofila usando instrumentos complexos que custam mais de S $ 3, 000 (US $ 2, 200). Outro método comum é realizar análises citométricas e de imagem para detectar células de algas - este método envolve equipamentos que custam mais de S $ 100, 000 (US $ 73, 000).

"Atualmente, pode levar um dia ou mais para coletar amostras de água de um local, trazê-los de volta ao laboratório para testes, e analisar os resultados. Este longo tempo de espera é impraticável para o monitoramento da proliferação de algas, como a gestão de fontes de contaminação e águas afetadas pode ser desacelerada, "explicou Asst Prof Bae.

Para enfrentar os desafios atuais no monitoramento da qualidade da água, Asst Prof Bae e sua equipe levaram um ano para desenvolver o novo dispositivo que monitora a qualidade microbiana da água rapidamente e com alta confiabilidade.

Nova tecnologia 'lab-on-a-chip':mais barata, menor e altamente sensível

A nova invenção NUS compreende três seções - um chip microfluídico, um smartphone, e uma plataforma impressa em 3D personalizável que abriga componentes ópticos e elétricos, como uma fonte de alimentação portátil e uma luz LED.

O chip é primeiro revestido com óxido de titânio ftalocianina, um tipo de material à base de polímero fotocondutor. A camada fotocondutora desempenha o papel importante de guiar as gotas de água para se moverem ao longo do chip durante o processo de análise.

O chip revestido é então colocado no topo da tela de um smartphone, que projeta um padrão de regiões claras e escuras no chip. Quando as gotas da amostra de água são depositadas na superfície do chip, uma diferença de queda de tensão, criado pelas áreas claras e escuras iluminadas na camada fotocondutora, modifica a tensão superficial das gotas de água. Isso faz com que as gotas de água se movam em direção às áreas iluminadas escuras. Ao mesmo tempo, esse movimento induz as gotículas de água a se misturarem a uma substância química que mancha as células de algas presentes na amostra de água. A mistura é guiada pelos padrões de luz em direção à câmera do smartphone.

Próximo, uma fonte de luz LED e um filtro verde embutido na plataforma impressa em 3D, perto da câmera do smartphone, criar as condições adequadas para a câmera capturar imagens fluorescentes das células de algas coradas. As imagens podem ser enviadas para um aplicativo no smartphone para contagem do número de células de algas presentes na amostra. As imagens também podem ser enviadas sem fio para outro local via smartphone para quantificar o número de células de algas. Todo o processo de análise pode ser concluído em 15 minutos.

Este dispositivo portátil e fácil de usar custa menos de S $ 300 (US $ 220) - excluindo o smartphone - e pesa menos de 600 gramas. O kit de teste também é altamente sensível, portanto, apenas uma pequena quantidade de amostra de água é necessária para gerar resultados confiáveis.

Alta precisão de detecção de 90 por cento

A equipe de pesquisa do NUS testou seu sistema usando amostras de água coletadas do mar e reservatórios. As amostras de água foram filtradas e enriquecidas com quantidades específicas de quatro tipos diferentes de algas produtoras de toxinas - dois tipos de algas de água doce C. reinhardtii e M. aeruginosa , e dois tipos de algas marinhas Amphiprora sp e C. closterium . Experimentos usando o novo dispositivo e um hemocitômetro, uma técnica de contagem de células padrão comumente usada para monitoramento da qualidade da água, foram realizados para testar a presença de algas.

O novo sistema de smartphone foi capaz de detectar os quatro tipos de algas com uma precisão de 90 por cento, comparável com os resultados gerados pelo hemocitômetro.

Asst Prof Bae compartilhou, "A combinação de preparação de amostra no chip, a captura e análise de dados tornam nosso sistema único. Com esta ferramenta, Os testes de qualidade da água podem ser realizados a qualquer hora e em qualquer lugar. Este novo método também é muito econômico, pois o chip microfluídico pode ser lavado e reutilizado. Este dispositivo será particularmente útil para os criadores de peixes que precisam monitorar a qualidade da água de seus tanques de peixes diariamente. "

Este projeto foi apoiado pela National Research Foundation Singapore por meio de seu Programa de Pesquisa e Desenvolvimento em Ciências Marinhas, e o Ministério da Educação.

Comercialização e novos estudos

A equipe de pesquisa está atualmente em discussão com parceiros da indústria para comercializar sua tecnologia.

Os pesquisadores do NUS também estão desenvolvendo um novo chip microfluídico que pode ser integrado a uma versão modificada da atual plataforma de smartphone impressa em 3D para detectar a presença de patógenos de origem alimentar, como salmonela e outros patógenos infecciosos.