Un equipo de ingenieros de la Universidad Nacional de Singapur (NUS, por su sigla en inglés) ha desarrollado un sistema altamente sensible que utiliza un teléfono inteligente para detectar rápidamente la presencia de algas productoras de toxinas en el agua en 15 minutos. Esta invención puede generar resultados de pruebas en el sitio, y los resultados se pueden informar en tiempo real utilizando las capacidades de comunicaciones inalámbricas del teléfono inteligente.
De acuerdo con la casa de estudios del país asiático, este avance tecnológico podría desempeñar un papel importante en la prevención de la propagación de microorganismos nocivos en los ambientes acuáticos, lo que podría amenazar la salud pública y causar problemas ambientales.
El equipo, dirigido por el profesor asistente Bae Sung Woo de Ingeniería Civil y Ambiental de NUS, publicó por primera vez los resultados en línea en la revista científica Harmful Algae el 25 de julio.
Desafíos actuales del monitoreo de la calidad del agua
Un aumento repentino en el volumen de algas y sus toxinas asociadas en lagos, estanques, ríos y aguas costeras puede afectar negativamente la calidad del agua y, a su vez, puede tener efectos desfavorables en la salud humana, los ecosistemas acuáticos y el suministro de agua. Por ejemplo, en 2015, una floración de algas acabó con más de 500 toneladas de peces en Singapur y causó que algunos acuicultores perdieran millones de dólares.
Los métodos convencionales de detección y análisis de algas requieren mucho tiempo y necesitan equipos costosos y especializados, así como también operadores calificados para realizar muestreos y pruebas de agua. Un enfoque es evaluar la presencia de clorofila utilizando instrumentos complejos que cuestan más de S$ 3.000 (US$ 2.200). Otro método común es llevar a cabo análisis citométricos y de imágenes para detectar células de algas; este método involucra equipos que cuestan más de S$ 100.000 (US$ 73.000).
“Actualmente, puede tomar un día o más recolectar muestras de agua de un sitio, llevarlas de vuelta al laboratorio para analizarlas y estudiar los resultados. Este tiempo de espera prolongado no es práctico para el monitoreo de la proliferación de algas, ya que el manejo de las fuentes de contaminación y las aguas afectadas podría ralentizarse», explicó el profesor Bae.
Para abordar los desafíos actuales en el monitoreo de la calidad del agua, el profesor Bae y su equipo tomaron un año para desarrollar el nuevo dispositivo que monitorea la calidad del agua microbiana rápidamente y con alta confiabilidad.
Nueva tecnología «lab-on-a-chip»
Esta invención de NUS consta de tres partes: un chip microfluídico, un teléfono inteligente y una plataforma impresa en 3D personalizable que aloja componentes ópticos y eléctricos, como una fuente de alimentación portátil y una luz LED.
El chip se recubre primero con óxido de titanio ftalocianina, un tipo de material fotoconductor a base de polímero. La capa fotoconductora juega el papel importante de guiar las gotas de agua para moverse a lo largo del chip durante el proceso de análisis.
El chip recubierto se coloca en la parte superior de la pantalla de un teléfono inteligente, que proyecta un patrón de regiones claras y oscuras en el chip. Cuando las gotas de la muestra de agua se depositan en la superficie del chip, una diferencia de caída de voltaje, creada por las áreas claras y oscuras iluminadas en la capa fotoconductora, modifica la tensión superficial de las gotas de agua. Esto hace que se muevan hacia las áreas oscuras iluminadas. Al mismo tiempo, este movimiento induce a las gotas de agua a mezclarse con un químico que tiñe las células de algas presentes en la muestra de agua. La mezcla se guía por los patrones de luz hacia la cámara del teléfono inteligente.
Luego, una fuente de luz LED y un filtro verde incrustado en la plataforma impresa en 3D, cerca de la cámara del teléfono inteligente, crean las condiciones adecuadas para que la cámara capture imágenes fluorescentes de las células de algas teñidas. Las imágenes se pueden enviar a una aplicación en el teléfono inteligente para contar la cantidad de células de algas presentes en la muestra. Las imágenes también se pueden enviar de forma inalámbrica a otra ubicación a través del teléfono inteligente para cuantificar la cantidad de células de algas. Todo el proceso de análisis se puede completar en 15 minutos.
Este dispositivo portátil y fácil de usar cuesta menos de S$ 300 (US$ 220), excluyendo el teléfono inteligente, y pesa menos de 600 gramos. El kit de prueba también es muy sensible, por lo tanto, solo se necesita una pequeña cantidad de muestra de agua para generar resultados confiables.
Precisión de detección del 90%
El equipo de investigación de NUS probó su sistema utilizando muestras de agua recolectadas del mar y embalses. Las muestras de agua fueron filtradas y enriquecidas con cantidades específicas de cuatro tipos diferentes de algas productoras de toxinas: dos tipos de algas de agua dulce C. reinhardtii y M. aeruginosa, y dos tipos de algas de agua marina Amphiprora sp y C. closterium. Se realizaron experimentos con el nuevo dispositivo y un hemocitómetro, una técnica estándar de conteo de células comúnmente utilizada para el monitoreo de la calidad del agua, para evaluar la presencia de algas.
El nuevo sistema de teléfonos inteligentes fue capaz de detectar los cuatro tipos de algas con una precisión del 90%, comparable con los resultados generados por el hemocitómetro.
El profesor Bae afirmó: «La combinación de preparación de muestras en chip, captura de datos y análisis hace que nuestro sistema sea único. Con esta herramienta, las pruebas de calidad del agua se pueden realizar en cualquier momento y en cualquier lugar. Este nuevo método también es muy rentable ya que el chip microfluídico puede lavarse y reutilizarse. Este dispositivo será particularmente útil para los acuicultores que necesitan monitorear la calidad del agua de sus estanques a diario».
Este proyecto fue apoyado por la National Research Foundation Singapore a través de su Programa de Investigación y Desarrollo de Ciencias Marinas y el Ministerio de Educación.
Comercialización y estudios posteriores
El equipo de investigación está actualmente en conversaciones con socios de la industria para comercializar su tecnología.
Los investigadores de NUS también están desarrollando un nuevo chip microfluídico que puede integrarse con una versión modificada de la plataforma actual de teléfonos inteligentes impresa en 3D para detectar la presencia de patógenos transmitidos por los alimentos como la salmonella y otros patógenos infecciosos.