Forscher des Cullen College of Engineering an der Universität von Houston haben ein neuartiges System entwickelt, mit dem Blei in Trinkwasser nachgewiesen werden kann mit einem Smartphone.
Das Gerät ist sowohl kostengünstig als auch wiederverwendbar und kann den Verbrauchern in Zukunft zur Verfügung stehen.
"Wir waren von der Wasserkrise in Flint City und den jüngsten Nachrichten über das mit Blei kontaminierte Wasser in mehreren Bundesstaaten begeistert", sagte er Wei-Chuan Shih, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Computertechnik.
Im April tauschte 2014, die Stadt von Flint in Michigan, ihre Trinkwasserquelle vom Lake Huron und dem Detroit River zum Flint River, um Trinkwasser in der Stadt erschwinglicher zu machen.
Die Bewohner bemerkten schnell verfärbtes braunes oder orangefarbenes Wasser, das aus ihren Wasserhähnen kam, und viele begannen krank zu werden. Einige entwickelten Hautausschläge oder verlorenes Haar beim Duschen im Wasser; einige bemerkten, dass es wie eine Metallmünze schmeckte.
Sie hatten Symptome einer Bleivergiftung.
Aufgrund der minderwertigen Wasseraufbereitung wird die hochkorrosive Qualität des Flint River-Wassers, Blei, das aus Bleiwasserrohren in das Trinkwasser ausgelaugt wird, von Tausenden von Flint-Bewohnern in Mitleidenschaft gezogen einige 9,000-Kinder - zu gefährlichen Bleigehalten.
Die Krise motivierte Shih und sein Team, ein System zu entwickeln, das es Durchschnittsleuten leicht macht, Blei in ihrem Wassersystem zu testen.
"Einer der Gründe, warum die Flint-Wasserkrise so groß wurde, war die langsame Reaktion der Environmental Protection Agency (EPA)", sagte Shih.
„Wir glauben, dass diese Krisen schnell verhindert werden können, wenn die Bürger das Wasser in ihren eigenen vier Wänden überwachen und sich an die lokale Regierung wenden können, um schneller reagieren und besser messen zu können.“
Das Forschungsteam entwarf ein neuartiges Objektiv, das winzige Partikel in verschmutztem Wasser auf einem Smartphone erkennen kann.
Das Smartphone-System kann verwendet werden, um Bleikonzentrationen so niedrig wie 5 Teile pro Milliarde (ppb) in Leitungswasser zu erkennen, weit unter dem EPA-Standard von 15 ppb.
Der Test ist genauer als die derzeitigen Tests für Verbraucher, die nur in der Lage sind, die Bleikonzentration im Bereich von Teilen pro Million (ppm) zu erfassen. Folglich sind diese Tests nicht sehr nützlich zum Nachweisen von Spuren, aber gefährlichen Mengen von Blei, die in Leitungswasser vorhanden sein können.
So funktioniert das neue Smartphone-System:
Zunächst fügt der Benutzer dem mit Blei kontaminierten Wasser eine feste Menge an Chromationen (CrO₄²₄) hinzu. Die Bleiionen (Pb + 2) reagieren mit dem Chromation unter Bildung von Bleichromat (PbCrO4), einer in hohem Maße unlöslichen und hellgelben Chemikalie.
"Bei einer winzigen Konzentration von Bleiionen im Wasser sind diese gelben Niederschläge sehr klein, können nanoskalig sein und sind für das bloße Auge völlig unsichtbar", sagte Shih. "Mit unserem Smartphone können wir diese winzigen gelben Partikel jedoch in einem digitalen Bild erfassen, um die Anwesenheit von Bleiionen im Wasser zu bestätigen."
Der Schlüssel zum Prozess ist eine speziell behandelte Linse, die jedes Smartphone in ein hochpräzises digitales Bildgebungssystem verwandelt, das winzige Partikel darstellen kann. Shih half bei der Entwicklung des einzigartigen Prozesses für Erstellen dieses Objektivs .
Die Linse besteht aus einem Polymer auf Silikonbasis, das Polydimethylsiloxan genannt wird. Das Polymer wird schnell auf einer flachen Oberfläche bei hoher Temperatur gehärtet. Der Prozess manipuliert die Form des Polymers derart, dass die Seite in Kontakt mit der flachen Oberfläche flach wird, während sich die andere Seite krümmt, wodurch eine plankonvexe Linse gebildet wird.
Wenn das Smartphone über der Kamera auf einem Smartphone platziert wird, wird es effektiv zu einem Mikroskop, das für Fluoreszenz- und Dunkelfeldmikroskopie geeignet ist. Dieses Mikroskop kann dann verwendet werden, um die Konzentration der Bleichromat-Nanopartikel in der Wasserprobe zu analysieren.
Die Bleikonzentration kann basierend auf der Intensität der gelben Partikel in dem Bild bestimmt werden.
Der Test ist zwar nicht mit den derzeit von den Aufsichtsbehörden verwendeten vergleichbar, er ist jedoch laut Shih sehr genau im Vergleich zu den bereits im Handel erhältlichen Tests.
„Für die Verbrauchertestkits sind sie nicht zum Testen von Bleiionen bei einer ppb-Konzentration vorgesehen. Ihre Nachweisgrenze liegt im ppm-Bereich “, sagte er. „Sie bieten auch nur qualitative Messungen an. In beiden Punkten ist unser Smartphone-Test besser. “
Shih bemerkte auch, dass die von den Regulatoren verwendete Hauptmethode, ein Prozess, der als induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) bezeichnet wird, viel genauer ist. Er erklärte jedoch, dass der neue Smartphone-Test schneller Ergebnisse liefert, weniger Proben benötigt, billiger ist und mehr Portabilität bietet, was für den Verbraucher viel sinnvoller ist.
Das Smartphone-System ist noch nicht für den Verkauf verfügbar, aber das Team plant, es für den Verbrauchermarkt zu entwickeln, sagte Shih. Er glaubt, dass der Preis so niedrig wie $ 100 sein könnte.
