07.05.2021 - American Institute of Physics (AIP)

Handy verwandelt sich in leistungsstarken chemischen Detektor

Mit Komponenten im Wert von nur 50 $ verwandelt sich ein gewöhnliches Mobiltelefon in ein hochentwickeltes wissenschaftliches Instrument, das in der Lage ist, Chemikalien, Medikamente und Krankheitserreger zu identifizieren

Wissenschaftler der Texas A&M haben eine Erweiterung für ein gewöhnliches Mobiltelefon entwickelt, die es in ein Instrument verwandelt, das Chemikalien, Medikamente, biologische Moleküle und Krankheitserreger nachweisen kann. Der Fortschritt wird in Reviews of Scientific Instruments, von AIP Publishing berichtet.

Moderne Mobiltelefone verfügen über hochwertige Kameras, die in der Lage sind, niedrige Lichtstärken zu erkennen und digitales Rauschen durch Softwareverarbeitung der aufgenommenen Bilder zu eliminieren. Jüngste Arbeiten nutzen diese Empfindlichkeit, um Handykameras herzustellen, die als tragbare Mikroskope und Herzfrequenzdetektoren verwendet werden können.

Der aktuelle Fortschritt basiert auf zwei Arten der Spektroskopie. Eine Art, bekannt als Fluoreszenzspektroskopie, misst das von einer Probe emittierte Fluoreszenzlicht. Die andere, die sogenannte Raman-Spektroskopie, ist nützlich, um Moleküle wie DNA und RNA zu erkennen, die nicht fluoreszieren oder Licht mit sehr geringer Intensität emittieren. Bei der Entwicklung dieses Handy-Detektors wurden beide Arten verwendet.

Das System enthält einen preiswerten Diodenlaser als Lichtquelle, der im rechten Winkel zur Verbindungslinie zwischen Probe und Handykamera ausgerichtet ist. Die rechtwinklige Anordnung verhindert, dass rückreflektiertes Licht in die Kamera gelangt.

"Außerdem hat diese rechtwinklige Anregungsgeometrie den Vorteil, dass sie für die Analyse von Proben, bei denen eine Volumeneigenschaft gemessen werden soll, einfacher zu handhaben ist", so Autor Peter Rentzepis.

Die Forscher untersuchten mit ihrem konstruierten Handy-Detektor eine Vielzahl von Proben, darunter gängige Lösungsmittel wie Ethanol, Aceton, Isopropylalkohol und Methanol. Sie nahmen die Raman-Spektren von festen Objekten auf, darunter eine Karotte und ein Pellet mit Bakterien.

Karotten wurden für diese Studie ausgewählt, weil sie das Pigment Carotin enthalten. Das in ihrem System verwendete Laserlicht hat eine Wellenlänge, die von diesem orangefarbenen Pigment und von den Pigmenten in den Bakterien leicht absorbiert wird.

Die Forscher verglichen die Empfindlichkeit ihres Systems mit den empfindlichsten verfügbaren industriellen Raman-Spektrometern. Das Verhältnis von Signal zu Rauschen war bei dem kommerziellen Gerät etwa 10-mal höher als bei dem Handy-System.

Die Empfindlichkeit des Handy-Detektors konnte jedoch verdoppelt werden, indem ein einzelner RGB-Kanal für die Analyse verwendet wurde. Das System hat einen eher begrenzten Dynamikbereich, aber die Forscher merken an, dass dieses Problem leicht durch verschiedene HDR- (High Dynamic Range) Anwendungen überwunden werden kann, die Bilder aus mehreren Belichtungen kombinieren.

Die zusätzlichen Komponenten, einschließlich des Lasers, kosten nur etwa 50 Dollar im Vergleich zu einem typischen Mobiltelefon, was dieses System zu einem kostengünstigen, aber genauen Werkzeug für die Erkennung von Chemikalien und Krankheitserregern im Feld macht.

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