Будучи аспирантом Гарвардского университета, инженер Синди К.Я. Танг училась у знаменитого химика Джорджа М. Уайтсайда - пионера в области нанонауки, области, которая теперь информирует обо всем, от электроники до медицинской диагностики. Пока Тан был в его команде, Уайтсайдс участвовал в проекте DARPA по поиску способов кодирования сообщений в бактериях. В системе, которую он и его коллеги разработали, сообщения могли быть закодированы в виде точек бактерий на пластине и декодированы путем добавления определенного химического агента, который при встрече с бактериями вызывал бы флуоресцентное свечение. Затем шаблон можно перевести, чтобы открыть секретное сообщение.
Четыре года спустя Тан применяет эту же идею в своей лаборатории в Стэнфорде, где она является доцентом кафедры машиностроения. Но вместо того, чтобы отправлять сообщения туда и обратно, она использует химию для обнаружения загрязнений в воде. При падении в поток или скважину ее устройство, прототип, который недавно был описан в журнале Lab on the Chip, производит штрих-код, который указывает как концентрацию, так и местонахождение загрязняющих веществ, таких как свинец, в воде - электричество не требуется.
Устройство, которое в настоящее время имеет размер мизинца, облегчает контролируемую химическую реакцию, проходя через воду. Прозрачный силиконовый корпус содержит две тонкие трубки, каждая из которых заполнена гелевым составом. Один конец каждой трубки соединяется с резервуаром, содержащим химический реагент; другой конец открыт для окружающей среды, поэтому вода может просочиться внутрь устройства.
Химическое вещество в резервуаре движется через трубки геля с предсказуемой скоростью. Когда устройство движется вниз по течению, вода поступает в гель с другой стороны. Если присутствует химическое вещество, для которого проводится скрининг - в данном начальном случае - свинец - происходит реакция, в результате которой в пробирке образуется нерастворимая видимая метка. Эти маркировки создают штрих-код, который ученые могут прочитать, чтобы определить количество и местоположение свинца в конкретном водоснабжении.
Команда Танг успешно провела испытания с двумя различными образцами воды в лабораторных стаканчиках. Исследователи медленно добавляли свинец в образцы воды, один из лаборатории, а другой - из источника опасности для воды на поле для гольфа в Стэнфорде, а затем смогли увидеть их добавки, закодированные на датчике впоследствии. Однако прежде чем они смогут испытать капсулы в полевых условиях, им нужно будет настроить способ их сбора после развертывания. Одним из возможных решений было бы добавить небольшие магнитные частицы в силиконовый корпус и использовать магнит, чтобы выловить их с другой стороны.
Прямо сейчас датчик все еще не очень точен. «Наш предел обнаружения очень высок, поэтому мы не сможем обнаружить [свинец], пока он уже не будет очень концентрированным», - объясняет Тан. И его химия способна обнаружить свинец только в этой точке. Но, в дальнейшем, капсула может быть модифицирована для проверки других распространенных загрязнений. Силиконовая оболочка может содержать несколько пробирок, настроенных для различных загрязнений, таких как ртуть и алюминий, что позволяет пользователям проводить скрининг широкого спектра в одном тесте. Тан подчеркивает, что устройство все еще является лишь доказательством концепции и далеко от реализации. «Мы хотели показать, как эта идея будет работать - что вы можете использовать ее и применять другие химические методы», - говорит она.
В случае успеха система Тан решит большую головоломку для тестирования воды. Нынешний прототип представляет собой первый случай, когда кто-либо смог обнаружить более чем ответ «да или нет» о загрязнении тяжелыми металлами в источниках воды. Современные методы, такие как ручной пульт дистанционного управления ANDalyze, должны отбирать пробы из источника воды для тестирования. В этом случае, объясняет она, пользователи могут идентифицировать присутствие металлов, но у них нет средств изолировать их источник в водоснабжении. Даже если датчики могут проникать в трещины и трещины, достигая грунтовых вод, слабость электронных компонентов также означает, что они могут не выжить хорошо под землей, где температура и давление значительно возрастают.
При своем нынешнем размере датчик Танга можно использовать для обнаружения загрязняющих веществ и их источников в потоках, но ее конечная цель - довести систему до наноразмерных размеров - около одного миллиметра. «Настоящая оригинальная мотивация заключалась в необходимости ощущения под землей, где у вас будет скважина или скважина, где вы не сможете рассеивать датчики и собирать [их] на другом конце [с использованием современных технологий]», - объясняет она. Как рассказал Стэнфордским новостям Тан: «Капсулы должны быть достаточно маленькими, чтобы проходить сквозь трещины в слоях горных пород, и достаточно прочными, чтобы выдержать жару, давление и агрессивную химическую среду под землей». Еще одна большая часть головоломки: Тан не Еще не уверен, как собрать датчики после распыления.
Там много воды на экран. По данным Агентства по охране окружающей среды, около 95 процентов всех ресурсов пресной воды в США находятся под землей. Эти источники восприимчивы к широкому спектру загрязняющих веществ, которые попадают в водоснабжение от сантехники, промышленности и бытовых отходов. Там также может быть достаточное количество отпускаемых по рецепту лекарств.
В конечном счете, процесс миниатюризации, который, по словам Тана, еще впереди, может также привести к изменению дизайна. Она считает, что вместо линейных трубок, которые идут параллельно, датчики миллиметрового размера будут круглыми точками. В этом случае штрих-код будет представлен в виде кругов, а не полос, «как кольца на дереве», говорит она.
