Tohtorikoulutettavana Harvardin yliopistossa insinööri Sindy KY Tang opiskeli kuuluisan kemisti George M. Whitesidesin alaisuudessa - nanotieteen edelläkävijää - alaa, joka nyt tiedottaa kaikesta elektroniikasta lääketieteelliseen diagnostiikkaan. Kun Tang oli joukkueessaan, Whitesides oli mukana DARPA-projektissa löytääkseen tapoja koodata viestejä bakteereihin. Hänen ja hänen kollegansa kehittämässä järjestelmässä viestit voitiin koodata pisteinä bakteereina levyllä ja dekoodata lisäämällä tietty kemiallinen aine, joka, kun se kohtaa bakteerit, aiheuttaisi fluoresoivan hehkua. Kuvio voitaisiin sitten kääntää paljastamaan salainen viesti.
Neljä vuotta myöhemmin Tang soveltaa samaa ajatusta laboratoriossaan Stanfordissa, missä hän on koneenrakennuksen apulaisprofessori. Mutta sen sijaan, että hän lähettäisi viestejä edestakaisin, hän käyttää kemiaa havaitakseen epäpuhtauksia vedessä. Kun laite putoaa virtaan tai kaivoon, prototyyppi, jota kuvataan äskettäin Lab-Chip- lehdessä, tuottaa viivakoodin, joka ilmaisee sekä pilaavien aineiden, kuten lyijyn, pitoisuudet ja sijainnin vedessä - ei sähköä tarvita.
Laite, joka on tällä hetkellä suunnilleen vaaleanpunainen sormi, helpottaa hallittua kemiallista reaktiota liikkuessaan veden läpi. Kirkas silikonikotelo sisältää kaksi ohutta putkea, joista kukin on täytetty geeliyhdisteellä. Kunkin putken toinen pää yhdistyy säiliöön, joka sisältää reagenssikemikaalin; toinen pää on avoin ympäristölle, jotta vesi voi valua laitteeseen.
Säiliössä oleva kemikaali liikkuu geeliputkien läpi ennustettavalla nopeudella. Kun laite liikkuu alaspäin virtausta, vesi virtaa geeliin toiselta puolelta. Jos esiintyy tutkittavaa kemikaalia - tässä ensimmäisessä tapauksessa lyijyä -, tapahtuu reaktio, joka luo liukenemattoman, näkyvän jäljen putkeen. Nämä merkinnät luovat viivakoodin, jonka tutkijat voivat lukea määrittääkseen lyijyn määrän ja sijainnin tietyssä vesivarannossa.
Tangin joukkue on onnistuneesti suorittanut testit kahdella erilaisella vesinäytteellä, molemmat laboratorion dekantterilasiin. Tutkijat lisäsivät hitaasti lyijyä vesinäytteisiin, joista toinen tuli laboratoriosta ja toinen Stanfordin golfkentän vesivaaroilta, ja he näkivät sen jälkeen lisäyksensä koodattuna anturille. Ennen kuin he voivat testata kapseleita kentällä, heidän on kuitenkin luotava tapa kerätä ne kapselien käytön jälkeen. Yksi mahdollinen ratkaisu olisi lisätä pieniä magneettihiukkasia silikonikoteloon ja käyttää magneettia kalastaa ne toiselle puolelle.
Tällä hetkellä anturi ei vieläkään ole kovin tarkka. "Havaitsemisraja on erittäin korkea, joten emme pysty havaitsemaan [lyijyä] ennen kuin se on jo hyvin keskittynyt", Tang selittää. Ja sen kemia kykenee havaitsemaan lyijyn vain tässä vaiheessa. Mutta eteenpäin kapselia voitiin muokata muiden yleisten epäpuhtauksien tarkistamiseksi. Silikonikuori voisi sisältää useita putkia, jotka on viritetty erilaisille epäpuhtauksille, kuten elohopealle ja alumiinille, jolloin käyttäjät voivat suorittaa laaja-alaisen seulonnan yhdessä testissä. Tang korostaa, että laite on edelleen vain todiste konsepista ja on kaukana toteutuksesta. "Halusimme näyttää kuinka idea toimisi - että voit käyttää sitä ja soveltaa muuta kemiaa", hän sanoo.
Jos onnistuminen, Tangin järjestelmä ratkaisee suuren veden testauspelin. Nykyinen prototyyppi edustaa ensimmäistä kertaa joku on voinut havaita enemmän kuin ”kyllä tai ei” vastauksen raskasmetallien saastumisesta vesilähteissä. Nykyisten menetelmien, kuten ANDalyze-nimisen käsikaukosäätimen, on poistettava näytteet vesilähteestä testausta varten. Hän selittää, että siinä tapauksessa käyttäjät voivat tunnistaa metallien läsnäolon, mutta heillä ei ole keinoja eristää lähteensä vesivarannosta. Vaikka anturit voisivat kulkea halkeamiin ja halkeamiin pohjaveteen pääsemiseksi, elektronisten komponenttien herkkyys tarkoittaa myös sitä, että ne eivät välttämättä selviä hyvin maan alla, missä lämpö ja paine nousevat huomattavasti.
Tangin anturia voitaisiin käyttää nykyisellä kokoaan pilaavien aineiden ja niiden lähteiden löytämiseksi virroista, mutta hänen perimmäisenä tavoitteena on saada järjestelmä alas nanomittakaavaan - noin miljoona millimetriä. "Todellinen alkuperäinen motivaatio oli tarve tunnistaa maan alla, missä sinulla olisi reikä tai kaivo, jossa et voi mahdollisesti hajottaa antureita ja kerätä [niitä] toisesta päästä [käyttämällä nykyistä tekniikkaa]", hän selittää. Kuten Tang kertoi Stanford News -sovellukselle, "Kapselien tulisi olla riittävän pieniä, jotta ne mahtuvat kivikerrosten halkeamien läpi, ja riittävän tukevia selviytymään lämmöstä, paineesta ja ankarasta kemiallisesta ympäristöstä maan alla." Toinen iso pala palapelissä: Tang ei ole Et ole vielä varma kuinka kerätä anturit leviämisen jälkeen.
Siellä on runsaasti vettä seulomiseksi. Ympäristönsuojeluviraston mukaan noin 95 prosenttia kaikista makean veden lähteistä Yhdysvalloissa on maanalaisia. Nämä lähteet ovat alttiita monille epäpuhtauksille, jotka huuhtoutuvat putkistoon vesi-, teollisuus- ja yleisjätteistä. Siellä voi olla myös kohtuullinen määrä reseptilääkkeitä.
Viime kädessä miniatyrisointiprosessi, joka Tangin mukaan on vielä vuosien päässä, saattaa myös aiheuttaa muutoksen suunnittelussa. Rinnakkain kulkevien lineaariputkien sijasta millimetrikokoiset anturit olisivat pyöreät pisteet, hän kertoo. Siinä tapauksessa viivakoodi esittäisi itsensä ympyröinä raidojen sijasta, "kuin renkaat puussa", hän sanoo.
