28.09.2018 - University of Houston

Ein Smartphone-System zum Testen von Blei im Wasser

Kann Werte unterhalb der EPA-Normen erkennen

Die Entdeckung von Blei in Flint, Michigans Trinkwasser, lenkte die Aufmerksamkeit erneut auf die Gesundheitsrisiken des Metalls. Jetzt haben Forscher der University of Houston ein kostengünstiges System mit einem Smartphone und einer Linse entwickelt, die mit einem Tintenstrahldrucker hergestellt wurde, der Blei im Leitungswasser auf einem allgemein als gefährlich geltenden Niveau erkennen kann.

Das System baut auf früheren Arbeiten von Wei-Chuan Shih, Associate Professor of Electrical & Computer Engineering, und Mitgliedern seines Labors auf, darunter die Entdeckung einer kostengünstigen Elastomerlinse, die ein einfaches Smartphone in ein Mikroskop verwandeln kann.

Die neueste Entdeckung kombiniert Nanofarbmetrik mit Dunkelfeldmikroskopie, die in die Smartphone-Mikroskop-Plattform integriert ist, um Bleigehalte unterhalb der von der Umweltschutzbehörde festgelegten Sicherheitsschwelle zu erkennen.

"Die Nanofarbmetrik für Smartphones ist schnell, kostengünstig und hat das Potenzial, es jedem einzelnen Bürger zu ermöglichen, Inhalte im Trinkwasser auf Abruf in praktisch jeder Umgebung zu untersuchen (zu leiten)", schrieben die Forscher.

Schon kleine Mengen Blei können zu ernsthaften gesundheitlichen Problemen führen, wobei kleine Kinder besonders anfällig für neurologische Schäden sind. EPA-Standards verlangen, dass die Bleigehalte im Trinkwasser unter 15 Teilen pro Milliarde liegen, und Shih sagte, dass die derzeit verfügbaren Verbrauchertestsätze nicht empfindlich genug sind, um Blei auf dieser Ebene genau zu erkennen.

Durch die Verwendung eines preiswerten Smartphones, das mit einer tintenstrahlbedruckten Linse ausgestattet ist, und den Dunkelfeld-Bildmodus konnten die Forscher ein System herstellen, das sowohl tragbar und einfach zu bedienen ist als auch Bleikonzentrationen von 5 Teilen pro Milliarde im Leitungswasser erkennen kann. Die Empfindlichkeit erreichte 1,37 Teile pro Milliarde in deionisiertem Wasser.

Shih und seine Studenten haben im vergangenen Jahr einen Open-Source-Datensatz veröffentlicht, der erklärt, wie man ein mit der Elastomerlinse ausgestattetes Smartphone in ein fluoreszenzmikroskopierfähiges Mikroskop umwandelt. Dieses Paper ist seit seiner Veröffentlichung das am häufigsten heruntergeladene Paper der Zeitschrift.

Die neueste Anwendung beinhaltet eine Farbanalyse zur Erkennung von nanoskaligen Leitpartikeln. Zu den Forschern des Projekts gehören neben Shih auch der Erstautor Hoang Nguyen und Yulung Sung, Kelly O'Shaughnessy und Xiaonan Shan, alle mit dem UH Department of Electrical & Computer Engineering. (O'Shaughnessy war ein Sommerpraktikant von der University of Cincinnati im Rahmen des Programms Research Experiences for Undergraduates der National Science Foundation.)

Ausgehend von dem 2017 veröffentlichten Datensatz bauten die Forscher ein in sich geschlossenes Smartphone-Mikroskop, das sowohl im Fluoreszenz- als auch im Dunkelfeld-Bildgebungsmodus betrieben werden kann, und kombinierten es mit einem preiswerten Smartphone Lumina 640 mit einer 8-Megapixel-Kamera. Sie haben Leitungswasser mit unterschiedlichen Mengen an Blei aufgestockt, die von 1,37 Teilen pro Milliarde bis 175 Teilen pro Milliarde reichen. Anschließend fügten sie Chromationen hinzu, die mit dem Blei zu Bleichromat-Nanopartikeln reagieren; die Nanopartikel können durch die Kombination von kolorimetrischer Analyse und Mikroskopie nachgewiesen werden.

Die Analyse maß sowohl die von den Nanopartikeln erfasste Intensität, die mit der Bleikonzentration korreliert, als auch die Tatsache, dass die Reaktion durch das Vorhandensein von Blei angeregt wurde.

Die Mischung wurde auf eine Polydimethylsiloxanplatte übertragen, die an einem Glasobjektträger befestigt war; nach der Trocknung wurde die Chromatverbindung mit deionisiertem Wasser abgespült und das verbleibende Sediment zur Analyse abgebildet.

Die Fähigkeit zur mikroskopischen Bildgebung erwies sich als unerlässlich, sagte Shih, da die Menge des Sediments zu klein war, um mit einer ungestützten Smartphone-Kamera abgebildet zu werden, was es unmöglich machte, relativ niedrige Bleigehalte zu erkennen.

Aufbauend auf der Smartphone-Mikroskop-Plattform, um ein nützliches Konsumprodukt zu schaffen, war der Schlüssel, sagte Shih. "Wir wollten sicher sein, dass wir etwas tun können, das unter dem Gesichtspunkt der Erkennung von Lead beim EPA-Standard nützlich ist", sagte er.

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