Исследователи разработали систему флуоресцентного обнаружения (справа), которая может обеспечить высокочувствительное обнаружение смертельных микроорганизмов в питьевой воде без использования каких-либо линз. Сейчас они преобразуют эту технологию в погружную портативную систему без линз (слева), которая может быть полезна для проверки качества воды в традиционных водосливах из натурального камня, широко используемых людьми в долине Катманду в Непале (на заднем плане). Фото: Риджан Махарджан, Ашим Дхакал, Исследовательский институт Пхутунг
Исследователи показали, что система флуоресцентного обнаружения, не содержащая линз, может обеспечить высокочувствительное обнаружение смертельных микроорганизмов в питьевой воде. При дальнейшем развитии новый подход может обеспечить недорогой и простой в использовании способ мониторинга качества воды в условиях ограниченных ресурсов, таких как развивающиеся страны или районы, пострадавшие от стихийных бедствий.
Это также может быть полезно, когда результаты по безопасности воды необходимы быстро, например, для соревнований по плаванию, что было подчеркнуто во время Парижской Олимпиады.
«В развивающихся странах небезопасные источники воды являются причиной более миллиона смертей каждый год», — сказал руководитель исследовательской группы Ашим Дхакал из Научно-исследовательского института Phutung в Непале. «Мы надеемся, что наша работа будет способствовать разработке более простых и экономически эффективных, но высокоэффективных парадигм обнаружения питьевой воды, что спасет бесчисленное количество жизней по всему миру».
Современные методы оценки микробного загрязнения воды требуют культивирования образцов воды и последующей количественной оценки вредных бактерий. Это может занять более 18 часов, что делает это непрактичным, когда необходимо немедленное подтверждение безопасности воды. Это также является основной причиной того, почему надзор за водными ресурсами неэффективен в развивающихся странах, где необходимые квалифицированные человеческие ресурсы, инфраструктура и реагенты недоступны.
В статье «Когда безлинзовый флуориметр превосходит линзовую систему», опубликованной в OpticaИсследователи из Научно-исследовательского института Пхутунга, Университета Сан-Паулу в Бразилии и Йоркского университета в Великобритании сообщают, что их новый флуориметр для мониторинга воды может обнаруживать флуоресцентные белки бактерий в воде вплоть до уровней менее одной части на миллиард без использования каких-либо линз.
Эта чувствительность соответствует критериям Всемирной организации здравоохранения для обнаружения фекального загрязнения питьевой воды.
«Сегодняшние флуорометры обычно используют дорогостоящие линзы, которые сделаны из специального УФ-прозрачного стекла и требуют точного позиционирования», — сказал Дхакал. «Мы показываем, что устранение линз не только снижает стоимость устройства, его размер и вес, но и обеспечивает лучшую производительность, учитывая, что мы не стремимся к визуализации».
Избавление от линз
Это исследование является частью более крупного проекта по пилотированию портативного, недорогого и удобного для пользователя инструмента для оценки качества воды в реальном времени. В ходе разработки исследователи внимательно изучили основы генерации оптического сигнала в таких приложениях, как мониторинг качества воды.
Они обнаружили, что хотя оптические линзы обычно используются в таких устройствах, как камеры, микроскопы и телескопы, эти оптические компоненты часто снижают производительность в практических ситуациях, не требующих изображений.
«Это было важным открытием, поскольку линзы составляют значительную долю стоимости оптических систем, а их объем и вес затрудняют создание практичных портативных устройств», — сказал Дхакал.
«Наш анализ показал, что использование источника света, детекторов и размеров образцов, которые максимально велики и расположены максимально близко друг к другу, дает более сильный сигнал, что приводит к повышению эффективности мониторинга качества воды».
Сравнение с линзовой системой
На основе своих результатов исследователи разработали систему флуоресценции без линз, используя большие (1–2 мм2) светодиоды и детекторы, которые недавно стали доступны в УФ-диапазоне длин волн. Она работает, используя УФ-свет для возбуждения белков вредных микробов, а затем детектируя полученную флуоресценцию.
Помимо демонстрации чувствительности системы без линз, они также показали, что она производит сигнал флуоресценции, который примерно в два раза сильнее, чем у системы с линзами. Они обнаружили, что производительность системы с линзами ограничена ее числовой апертурой, использованием более крупных источников и детекторов и конечным расстоянием визуализации, необходимым между компонентами и образцом.
Исследователи сейчас разрабатывают карманную версию безлинзовых флуорометров для полевых испытаний. Они отмечают, что прибор должен продемонстрировать способность выдерживать суровые условия, встречающиеся в различных сценариях, прежде чем его начнут широко применять. Они также работают над тем, чтобы продемонстрировать, что их подход соответствует требованиям специфичности для обнаружения определенного бактериального загрязнения, включив в устройство измерение нескольких параметров.
«Наша система уже очень полезна, поскольку чувствительное и точное измерение концентрации бактериальных белков, которое она обеспечивает, напрямую связано с эффективностью очистки воды, дозой дезинфицирующих средств, необходимых для дезинфекции, и вероятностью размножения бактерий в случае повторного заражения», — сказал Дхакал.
Дополнительная информация: Асим Махарджан и др., Безлинзовый флуорометр превосходит линзовую систему, Optica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.527289
Информация о журнале: Optica
Предоставлено Optica
