Работая с командой сотрудников, Владислав Яковлев, профессор кафедры биомедицинской инженерии, разработал сверхчувствительный метод обнаружения, который может обнаруживать молекулы, связанные с фекалиями человека и животных в водных системах. Он объясняет, что эти чрезвычайно маленькие индикаторы традиционно трудно обнаружить, но они могут сигнализировать о более высоких уровнях загрязнения, что может привести к болезни и даже смерти.
Исследование команды финансируется Национальным научным фондом и опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
В нем подробно рассказывается о развитии технологии, которую Яковлев характеризует как доступную, высокочувствительную, простую в реализации и способную проводить анализ проб воды в режиме реального времени. Это сочетание преимуществ, по его словам, дает системе преимущество перед другими технологиями обнаружения, что делает ее идеальной для использования не только в Соединенных Штатах, но и в развивающихся странах, которые часто сталкиваются с проблемами качества воды.
В стране и за рубежом отходы животного и человеческого происхождения могут загрязнять как рекреационные воды, так и водоемы, вызывая такие заболевания, как полиомиелит, брюшной тиф и холера. Яковлев отмечает, что такая форма загрязнения может даже привести к экологическим кризисам, таким как опустошение водного населения и цветение красных приливов.
Яковлев объясняет, что подобные случаи загрязнения можно смягчить или даже избежать, если образцы из водных систем будут проанализированы более тщательно, чтобы они могли лучше понять, что находится в воде. Другими словами, обнаружение следовых количеств загрязняющих веществ, таких как фекалии, в системах водоснабжения может помочь бить тревогу в случае серьезного заражения, поскольку эти следовые количества, вероятно, происходят из более крупного источника в системе водоснабжения, отмечает он.
Однако, по словам Яковлева, обнаружить эти следовые количества непросто, особенно своевременно. Он отмечает, что высокая стоимость, ограничения размера выборки и длительное время анализа не позволяли исследователям окружающей среды использовать высокочувствительные методы, позволяющие проводить анализ в реальном времени — до сих пор.
Яковлев и его коллеги готовы изменить ситуацию с помощью инновационного подхода к обнаружению чего-то известного как уробилин. Уробилин — это побочный продукт, выделяемый с мочой и фекалиями многих млекопитающих, включая людей и домашний скот, например коров, лошадей и свиней. Яковлев отмечает, что молекулы уробилина малы и быстро диффундируют, поэтому легко занимают большие объемы, например, озера и водохранилища.
Кроме того, уробилин обладает еще одним интересным свойством; он светится — или, точнее, его можно заставить светиться. Яковлев объясняет, что при смешивании с ионами цинка уробилин образует фосфоресцирующее соединение. Это означает, что если уробилин присутствует в образце воды и были добавлены ионы цинка, образец будет излучать зеленоватое свечение при исследовании в ультрафиолетовом свете, говорит он. Есть только одна загвоздка.
В некоторых образцах с низкой концентрацией уробилина свечение или фосфоресцентное излучение может быть слабым, что затрудняет анализ образца. По словам Яковлева, исследователи должны уметь тщательно возбуждать образец (вызывая реакцию), наблюдать за свечением, а затем измерять его, чтобы провести точный анализ.
Для достижения этой цели Яковлев и его команда разработали технологию, которая позволяет им тщательно возбуждать чрезвычайно малые количества уробилина в больших пробах воды, а затем эффективно собирать образующееся фосфоресцентное излучение, независимо от того, насколько слабым может быть это излучение. Это делается с помощью устройств, которые исследователи называют «интегрированной полостью»."
Интегрированная полость, используемая группой исследователей, по сути, представляет собой полый цилиндрический контейнер, изготовленный в лаборатории Яковлева. Яковлев объясняет, что образец воды помещается внутрь цилиндра, где он взаимодействует с ионами цинка, и лазерный луч направляется на объект и на образец через небольшое отверстие. Свет возбуждает соединение уробилина, присутствующее в образце, заставляя его излучать свечение.
Он отмечает, что единственный способ выхода света из цилиндра — это отверстие, в которое он изначально вошел. Это не только гарантирует, что весь свет, попадающий в цилиндр, используется для возбуждения всего образца, но также позволяет исследователям эффективно собирать результирующее фосфоресцентное излучение, чтобы его можно было направить на фотодетектор, такой как спектрометр, для анализа. , Говорит Яковлев.
Используя интегрированную полость в своих усилиях по обнаружению, Яковлев и его команда обнаружили присутствие уробилина вплоть до наномоля на литр. Моль — это обычная единица измерения в химии, а наномоль составляет одну миллиардную этого измерения. Более того, технология обеспечивает фактические уровни концентрации загрязняющего вещества, и делает это намного быстрее, чем другие методы, отмечает он.
«Мы можем продемонстрировать обнаружение сверхнизких концентраций уробилина в растворе», — говорит Яковлев. «Это огромное улучшение с точки зрения чувствительности, и наша методика обладает огромным потенциалом для анализа глобальных запасов питьевой воды, особенно в развивающихся странах и после стихийных бедствий, где сложное лабораторное оборудование может быть недоступно."
Еще один ключевой элемент технологии, стоимость которой может составлять несколько сотен долларов, — это ее способность анализировать большие образцы, отмечает Яковлев. Обычные методы не позволяют анализировать большие образцы. Это проблема, добавляет он, потому что маловероятно, что точный анализ всей водной системы может быть получен из небольшого образца. Например, исследователи могут собрать небольшую пробу, свободную от загрязняющих веществ, но это не означает, что вся водная система не содержит загрязняющих веществ.
По его словам, более крупная выборка дает исследователям более точные прогнозы относительно воды, содержащейся в системе.
«Чем больше выборка, тем лучше», — говорит Яковлев. «Благодаря нашей технологии чувствительность зависит от количества воды в нашем образце. Использование одного литра увеличивает чувствительность в 20 раз, а дополнительные 10 литров приводят к увеличению чувствительности на другой порядок."
В настоящее время Яковлев и его команда работают над коммерциализацией технологии обнаружения уробилина.
Поскольку он дает почти мгновенные результаты, он может служить основой для домашних систем обнаружения, которые предупреждают пользователей, если вода, поступающая из их кранов, внезапно загрязнена, говорит он. Думайте детектор дыма для водопроводного крана.
Не менее важно, отмечает он, эту технологию можно использовать для обнаружения других типов токсичных соединений как в жидкостях, так и в газах, среди прочего, в целях борьбы с терроризмом.