Une équipe d'ingénieurs de NUS a développé un système hautement sensible qui utilise un smartphone pour détecter rapidement la présence d'algues productrices de toxines dans l'eau en 15 minutes. Cette invention peut générer des résultats de test sur site, et les résultats peuvent être signalés en temps réel à l'aide des capacités de communication sans fil du smartphone.

Cette percée technologique pourrait jouer un grand rôle dans la prévention de la propagation de micro-organismes nocifs dans les milieux aquatiques, qui pourraient menacer la santé publique mondiale et causer des problèmes environnementaux.

L'équipe NUS, dirigé par le professeur adjoint Bae Sung Woo de NUS Civil and Environmental Engineering, publié pour la première fois les résultats en ligne dans une revue scientifique Algues nuisibles le 25 juillet.

Défis actuels de la surveillance de la qualité de l'eau

Une augmentation soudaine du volume d'algues et de leurs toxines associées dans les lacs, étangs, rivières, et les eaux côtières peuvent nuire à la qualité de l'eau, et à son tour, peut avoir des effets défavorables sur la santé humaine, écosystèmes aquatiques, et l'approvisionnement en eau. Par exemple, en 2015, une prolifération d'algues a anéanti plus de 500 tonnes de poissons à Singapour, et fait perdre des millions de dollars à certains pisciculteurs.

Les méthodes conventionnelles de détection et d'analyse des algues prennent du temps, et nécessitent des équipements spécialisés et coûteux, ainsi que des opérateurs qualifiés pour effectuer l'échantillonnage et l'analyse de l'eau. Une approche consiste à tester la présence de chlorophylle à l'aide d'instruments complexes qui coûtent plus de 3 $ S. 000 (2 USD 2, 200). Une autre méthode courante consiste à effectuer une analyse cytométrique et d'image pour détecter les cellules d'algues - cette méthode implique un équipement qui coûte plus de 100 $ S, 000 (73 $US, 000).

"Actuellement, le prélèvement d'échantillons d'eau sur un site peut prendre un jour ou plus, les ramener au laboratoire pour analyse, et analyser les résultats. Ce long délai est peu pratique pour la surveillance des proliférations d'algues, car la gestion des sources de contamination et des eaux affectées pourrait être ralentie, " a expliqué le professeur adjoint Bae.

Pour relever les défis actuels de la surveillance de la qualité de l'eau, Le professeur adjoint Bae et son équipe ont mis un an à développer le nouvel appareil qui surveille rapidement et avec une grande fiabilité la qualité microbienne de l'eau.

Nouvelle technologie « laboratoire sur puce » :moins chère, plus petit et très sensible

La nouvelle invention NUS comprend trois sections :une puce microfluidique, un smartphone, et une plate-forme personnalisable imprimée en 3D qui abrite des composants optiques et électriques tels qu'une source d'alimentation portable et une lumière LED.

La puce est d'abord revêtue d'oxyde de titane phtalocyanine, un type de matériau à base de polymère photoconducteur. La couche photoconductrice joue le rôle important de guider les gouttelettes d'eau pour se déplacer le long de la puce pendant le processus d'analyse.

La puce enduite est ensuite placée sur le dessus de l'écran d'un smartphone, qui projette un motif de régions claires et sombres sur la puce. Lorsque des gouttelettes de l'échantillon d'eau se déposent à la surface de la puce, une différence de chute de tension, créé par les zones claires et sombres illuminées sur la couche photoconductrice, modifie la tension superficielle des gouttelettes d'eau. Cela provoque le déplacement des gouttelettes d'eau vers les zones sombres éclairées. À la fois, ce mouvement induit le mélange des gouttelettes d'eau avec un produit chimique qui tache les cellules d'algues présentes dans l'échantillon d'eau. Le mélange est guidé par les motifs lumineux vers l'appareil photo du smartphone.

Prochain, une source lumineuse LED et un filtre vert intégrés dans la plateforme imprimée en 3D, près de la caméra du smartphone, créer les conditions appropriées pour que la caméra capture des images fluorescentes des cellules d'algues colorées. Les images peuvent être envoyées à une application sur le smartphone pour compter le nombre de cellules d'algues présentes dans l'échantillon. Les images peuvent également être envoyées sans fil à un autre endroit via le smartphone pour quantifier le nombre de cellules d'algues. L'ensemble du processus d'analyse peut être achevé en 15 minutes.

Cet appareil portable et facile à utiliser coûte moins de 300 $ S (220 $ US) - hors smartphone - et pèse moins de 600 grammes. Le kit de test est également très sensible, par conséquent, seule une petite quantité d'échantillon d'eau est nécessaire pour générer des résultats fiables.

Précision de détection élevée de 90 pour cent

L'équipe de recherche du NUS a testé son système à l'aide d'échantillons d'eau prélevés dans la mer et les réservoirs. Les échantillons d'eau ont été filtrés et enrichis de quantités spécifiques de quatre types différents d'algues productrices de toxines - deux types d'algues d'eau douce C. reinhardtii et M. aeruginosa , et deux types d'algues marines Amphiprora sp et C. clostérie . Expériences utilisant le nouveau dispositif et un hémocytomètre, une technique de comptage cellulaire standard couramment utilisée pour la surveillance de la qualité de l'eau, ont été menées pour tester la présence d'algues.

Le nouveau système de smartphone a pu détecter les quatre types d'algues avec une précision de 90 %, comparables aux résultats générés par l'hémocytomètre.

Le professeur adjoint Bae a partagé, « La combinaison de la préparation d'échantillons sur puce, la capture et l'analyse des données rendent notre système unique. Avec cet outil, Les tests de qualité de l'eau peuvent être effectués n'importe quand et n'importe où. Cette nouvelle méthode est également très rentable car la puce microfluidique peut être lavée et réutilisée. Ce dispositif sera particulièrement utile pour les pisciculteurs qui ont besoin de surveiller quotidiennement la qualité de l'eau de leurs étangs piscicoles."

Ce projet a été soutenu par la National Research Foundation Singapore à travers son programme de recherche et de développement en sciences marines, et le ministère de l'Éducation.

Commercialisation et poursuite d'études

L'équipe de recherche est actuellement en discussion avec des partenaires de l'industrie pour commercialiser leur technologie.

Les chercheurs du NUS développent également une nouvelle puce microfluidique qui peut être intégrée à une version modifiée de la plate-forme actuelle pour smartphone imprimée en 3D pour détecter la présence d'agents pathogènes d'origine alimentaire tels que la salmonelle et d'autres agents pathogènes infectieux.