Als promovendus aan de Harvard University studeerde ingenieur Sindy KY Tang onder de beroemde chemicus George M. Whitesides - een pionier in de nanowetenschap, een vakgebied dat nu alles informeert, van elektronica tot medische diagnostiek. Terwijl Tang in zijn team zat, was Whitesides betrokken bij een DARPA-project om manieren te vinden om berichten in bacteriën te coderen. In het systeem dat hij en zijn collega's ontwikkelden, konden berichten worden gecodeerd als puntjes van bacteriën op een plaat en gedecodeerd door een bepaald chemisch middel toe te voegen dat, wanneer het de bacteriën ontmoette, een fluorescerende gloed zou veroorzaken. Het patroon kan vervolgens worden vertaald om een geheime boodschap te onthullen.
Vier jaar later past Tang hetzelfde idee toe in haar laboratorium in Stanford, waar ze universitair docent werktuigbouwkunde is. Maar in plaats van berichten heen en weer te sturen, gebruikt ze chemie om verontreinigingen in water te vinden. Wanneer het in een stroom of put wordt gedropt, produceert haar apparaat, een prototype dat onlangs werd beschreven in het tijdschrift Lab on a Chip, een barcode die zowel de concentratie als de verblijfplaats van verontreinigende stoffen, zoals lood, in water aangeeft - geen elektriciteit nodig.
Het apparaat, dat momenteel ongeveer de grootte heeft van een pink, maakt een gecontroleerde chemische reactie mogelijk wanneer het door water beweegt. De doorzichtige siliconen behuizing bevat twee dunne buisjes, elk gevuld met een gelmengsel. Een uiteinde van elke buis is verbonden met een reservoir dat een reagenschemicalie bevat; het andere uiteinde staat open voor de omgeving, zodat water in het apparaat kan sijpelen.
De chemische stof in het reservoir beweegt door de buizen gel met een voorspelbare snelheid. Terwijl het apparaat langs een stroom omlaag stroomt, stroomt water van de andere kant in de gel. Als de te onderzoeken chemische stof aanwezig is - in dit eerste geval lood - vindt er een reactie plaats, waardoor een onoplosbare, zichtbare markering in de buis ontstaat. Die markeringen creëren een streepjescode die wetenschappers kunnen lezen om de hoeveelheid en locatie van lood in een bepaalde watervoorziening te bepalen.
Het team van Tang heeft met succes tests uitgevoerd met twee verschillende watermonsters, beide in bekers in haar lab. De onderzoekers voegden langzaam lood toe aan de watermonsters, een van het lab en de andere van een watergevaar op de golfbaan van Stanford, en konden daarna hun toevoegingen zien die op de sensor waren gecodeerd. Voordat ze de capsules in het veld kunnen testen, moeten ze echter een manier instellen om ze na inzet te verzamelen. Een mogelijke oplossing zou zijn om kleine magnetische deeltjes in de siliconenbehuizing toe te voegen en een magneet te gebruiken om ze aan de andere kant uit te vissen.
Op dit moment is de sensor nog steeds niet erg nauwkeurig. "Onze detectielimiet is erg hoog, dus we kunnen [lead] pas detecteren als deze al erg geconcentreerd is, " legt Tang uit. En zijn chemie kan alleen op dit punt lood detecteren. Maar in de toekomst kan de capsule worden aangepast om te controleren op andere veel voorkomende verontreinigingen. De siliconen schaal kan meerdere buizen bevatten die zijn afgestemd op verschillende verontreinigingen, zoals kwik en aluminium, waardoor gebruikers in één test een breedspectrumonderzoek kunnen uitvoeren. Tang benadrukt dat het apparaat nog steeds slechts een proof of concept is en verre van implementatie. "We wilden laten zien hoe het idee zou werken - dat je het kunt gebruiken en andere chemie kunt toepassen, " zegt ze.
Als het lukt, zou het systeem van Tang een grote watertestpuzzel oplossen. Het huidige prototype is de eerste keer dat iemand meer dan een 'ja of nee'-antwoord over verontreiniging door zware metalen in waterbronnen kon detecteren. Huidige methoden, zoals de draagbare afstandsbediening ANDalyze, moeten monsters uit een waterbron verwijderen om te testen. In dat geval, legt ze uit, kunnen gebruikers de aanwezigheid van metalen identificeren, maar hebben ze geen middelen om hun bron in de watertoevoer te isoleren. Zelfs als de sensoren in scheuren en barsten zouden kunnen reizen om grondwater te bereiken, betekent de delicatesse van de elektronische componenten ook dat ze mogelijk niet goed ondergronds overleven, waar hitte en druk aanzienlijk stijgen.
Met de huidige grootte kan de sensor van Tang worden gebruikt om verontreinigende stoffen en hun bronnen in stromen te vinden, maar haar systeem op nanoschaal brengen - ongeveer een millimeter - is haar ultieme doel. "De echte oorspronkelijke motivatie was de behoefte om ondergronds te detecteren, waar je een gat of put zou hebben waar je onmogelijk sensoren kunt verspreiden en [ze] aan de andere kant kunt verzamelen [met de huidige technologie]", legt ze uit. Zoals Tang Stanford News vertelde: "De capsules moeten klein genoeg zijn om door de scheuren in rotslagen te passen, en robuust genoeg om de hitte, druk en agressieve chemische omgeving onder de grond te overleven." Een ander groot stuk van de puzzel: Tang isn weet nog niet hoe de sensoren moeten worden verzameld na dispersie.
Er is voldoende water om te schermen. Volgens het Environmental Protection Agency is ongeveer 95 procent van alle zoetwatervoorraden in de VS ondergronds. Die bronnen zijn gevoelig voor een grote verscheidenheid aan verontreinigende stoffen die in de toevoer van loodgieterswerk, industrie en algemeen afval lekken. Er kan ook een behoorlijke hoeveelheid voorgeschreven medicijnen in zitten.
Uiteindelijk kan het miniaturisatieproces, waarvan Tang zegt dat het nog jaren duurt, ook een verandering in ontwerp teweegbrengen. In plaats van lineaire buizen die parallel lopen, zouden de sensoren ter grootte van een millimeter ronde stippen zijn, stelt ze. In dat geval zou de streepjescode zichzelf presenteren als cirkels in plaats van strepen, "zoals ringen aan een boom", zegt ze.
