Optica: Новый безлинзовый прибор находит смертоносных микробов в питьевой воде

Учёные придумали новый способ находить опасные микробы в воде. Они сделали специальную светящуюся систему, которая способна обнаруживать вредные микроорганизмы.

Этот метод может быть полезен в разных ситуациях: например, когда нужно быстро проверить воду на безопасность или когда нет возможности использовать сложные и дорогие приборы. Это может пригодиться в странах, где не хватает ресурсов, или после стихийных бедствий. А ещё этот способ помог во время Олимпийских игр в Париже.

Руководитель исследовательской группы Ашим Дхакал из Научно-исследовательского института Пхутунг в Непале рассказал, что небезопасные источники воды становятся причиной более миллиона смертей в развивающихся странах каждый год.

Учёные надеются разработать более простые и экономически эффективные методы проверки питьевой воды. Это поможет спасти множество людей по всему миру.

Современные методы оценки микробного загрязнения требуют культивирования образцов воды и последующего определения вредных бактерий. Этот процесс занимает более 18 часов, поэтому он непрактичен, когда нужно срочно проверить воду. Кроме того, такие методы сложно применять в развивающихся странах, где нет квалифицированных специалистов, инфраструктуры и реагентов.

Результаты опубликованы в журнале Optica.

Исследователи из Научно-исследовательского института Футунг, Университета Сан-Паулу в Бразилии и Университета Йорка в Великобритании создали новый флуорометр для мониторинга воды. Он может обнаруживать флуоресцентные белки бактерий в воде до уровня менее одной части на миллиард. Такая чувствительность соответствует критериям Всемирной организации здравоохранения для обнаружения фекального загрязнения в питьевой воде.

Дхакал отмечает, что современные флуорометры обычно используют дорогостоящие линзы, которые требуют точного позиционирования. Новый прибор лишён этого недостатка: отказ от линз снижает стоимость, размер и вес прибора, а также обеспечивает лучшую производительность.

Избавление от линз

Это исследование — часть крупного проекта, который частично финансируется Optica Foundation Challenge. Проект поручили Дхакалу в 2022 году. Цель проекта — создать портативный, недорогой и удобный прибор для оценки качества воды в режиме реального времени.

В ходе разработки исследователи изучили основы генерации оптических сигналов для мониторинга качества воды. Они выяснили, что оптические линзы, которые используются в камерах, микроскопах и телескопах, часто снижают производительность в ситуациях, где не нужно получать изображение.

Это важный вывод, — говорит Дхакал. — Линзы составляют значительную часть стоимости оптических систем, а их вес затрудняет создание портативных устройств.

Наш анализ показал, что чем больше и ближе друг к другу источник света, детекторы и образцы, тем сильнее сигнал. А это приводит к лучшей производительности при мониторинге качества воды.

Сравнение с линзированной системой

Исследователи разработали безлинзовую флуоресцентную систему с использованием больших светодиодов и детекторов, работающих в ультрафиолетовом диапазоне. Система обнаруживает вредные микробы по их флуоресценции, которая возникает при облучении ультрафиолетом.

Безлинзовая система оказалась в два раза чувствительнее линзовой. Производительность последней ограничена числовой апертурой, крупными источниками и детекторами, а также расстоянием между компонентами и образцом.

Исследователи создают карманную версию безлинзовых флуорометров для использования в полевых условиях. Перед тем как широко применять прибор, нужно убедиться, что он выдержит эксплуатацию в разных условиях. Также необходимо показать, что устройство может специфично обнаруживать бактериальное загрязнение — для этого в него добавят измерение нескольких параметров.

По словам Дхакала, система уже полезна, поскольку позволяет точно измерять концентрацию бактериальных белков. Это важно для очистки воды и дезинфекции.

08.08.2024