اختبار محمول للهواتف الذكية يكشف عن التلوث البرازي في الماء في أقل من دقيقة

لا يزال ملايين الأشخاص حول العالم يشربون الماء دون أن يعرفوا حقًا ما يحتويه. وفي هذا السياق، قام فريق من الباحثين من المعهد الاتحادي الألماني لأبحاث واختبار المواد (BAM) لقد طورت اختبارًا سريعًا يعد بتبسيط عملية مراقبة جودة المياه الأساسية قدر الإمكان باستخدام شيء شائع مثل الهاتف الذكي.

هذا النظام الجديد قادر على الكشف عن التلوث البرازي في الماء في أقل من دقيقةيعمل الجهاز بقطرة واحدة فقط ودون الحاجة إلى مختبر. يكمن السر في ملحق صغير مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد يُثبّت على الهاتف المحمول، وتطبيق قادر على تحليل صورة العينة وتقديم النتيجة بشكل فوري تقريبًا.

اختبار محمول يحول هاتفك المحمول إلى أداة تحليل

يعتمد الجهاز على مبدأ بسيط: الاستفادة من كاميرا الهاتف الذكي كمستشعرولتحقيق ذلك، قام الباحثون بتصميم ملحق خفيف الوزن، تم تصنيعه باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، يتم وضعه على الهاتف ويعمل كدعامة لعينة الماء والمكون الكيميائي الذي يتفاعل مع اليوروبيلين.

اليوروبيلين هو مؤشر مرتبط بالتلوث البرازي يسمح هذا المركب، عند تفاعله مع بعض الكواشف، بتحديد المخلفات البيولوجية في الماء. وقد صُمم الاختبار الذي طورته شركة BAM للكشف عن هذا المركب بتراكيز منخفضة للغاية، مما يجعله مفيدًا كعلامة إنذار مبكر في حالات المياه التي قد تكون غير صالحة للاستهلاك البشري.

الإجراء بسيط: توضع قطرة ماء على نقطة قياس الجهاز، ثم يتم توصيل الوحدة بالهاتف الذكي، وتُلتقط صورة باستخدام التطبيق المخصص. من هذه الصورة، يحلل البرنامج شدة الإشارة الناتجة عن التفاعل مع اليوروبيلين ويقدم... يمكن تفسير النتيجة في غضون ثوانٍ، دون الحاجة إلى إرسال أي شيء إلى مختبر مركزي.

تم وصف النظام في المجلة العلمية ACS Sensorsيُفصّل التقرير التصميم البصري للملحق المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، بالإضافة إلى خوارزميات تحليل الصور. ويهدف الباحثون إلى أن يكون هذا الجهاز رخيص التكلفة وسهل التكرار، ومتيناً بما يكفي لاستخدامه في بيئات واقعية خارج المختبر.

الاختلافات الرئيسية عن الاختبارات المعملية التقليدية

تتضمن الطرق الميكروبيولوجية التقليدية لفحص جودة المياه عادةً زراعة الكائنات الحية الدقيقة أو تقنيات تحليلية متقدمة تتطلب معدات المختبر، وموظفون مؤهلون، ووقت انتظار يصل إلى 24 ساعة للحصول على نتيجة موثوقة. هذا يزيد من تكلفة العملية ويؤخر اتخاذ القرارات الصحية، خاصة في حالات الطوارئ.

يقلل اختبار الهاتف الذكي المحمول الجديد هذه الأوقات بشكل كبير: تستغرق القراءة أقل من دقيقة. منذ لحظة وضع قطرة الماء على الملحق. ورغم أنه لا يُقصد به أن يحل محل طرق المختبر المرجعية تمامًا، إلا أنه يوفر أداة فحص سريعة ومفيدة للغاية لتحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من التحليل.

إلى جانب عامل الوقت، تُحدث التكلفة واللوجستيات فرقًا هامًا آخر. فبينما تتطلب التحليلات التقليدية إرسال العينات، والحفاظ على سلسلة الحفظ، وتحمل تكاليف النقل والمعالجة، يمكن استخدام هذا الجهاز في الموقع، عند نقطة التجميع نفسها، مع تكلفة تشغيل منخفضة محتملة بمجرد توفر الملحق والتطبيق على الهاتف.

كل هذا يفتح الباب أمام تغيير في طريقة تنظيم مراقبة المياه، مما يسمح بوجود نقاط قياس أكثر بكثير بموارد أقل ويجعل التحكم المستمر أكثر جدوى دون الاعتماد فقط على حملات أخذ العينات المعزولة، والتي غالباً ما تفوت ارتفاعات التلوث المحددة.

تطبيقات في حالات الطوارئ والمناطق الريفية والسياقات ذات الموارد المحدودة

تتضح فائدة هذا النظام بشكل خاص في السياقات التي يكون فيها الوصول إلى المختبرات معقدًا أو معدومًا تمامًا. خلال الفيضانات والكوارث الطبيعية في حالة التلوث المفاجئ، فإن القدرة على تحديد ما إذا كانت المياه تظهر علامات التلوث البرازي في غضون ثوانٍ يمكن أن تكون حاسمة لمنع تفشي الأمراض.

في المناطق الريفية في أوروبا وأمريكا اللاتينية وأفريقيا، حيث تكون شبكات الصرف الصحي محدودة أو غير منتظمة، يمكن للسلطات المحلية والمنظمات غير الحكومية وحتى المجتمعات المنظمة استخدام هذا النوع من الاختبارات لـ تحقق من جودة الآبار والينابيع وأنظمة الإمداد الصغيرة دون الحاجة إلى السفر إلى المراكز الحضرية الكبيرة.

ومن التطبيقات الواضحة الأخرى رصد البيئة في الأنهار والبحيرات والمناطق الساحلية. فالجهاز المحمول سهل الاستخدام يتيح رصدًا وجمعًا للبيانات بوتيرة أكثر تكرارًا، مما يُسهّل اكتشاف الانسكابات، وأعطال محطات معالجة مياه الصرف الصحي، أو مشاكل البنية التحتية للصرف الصحي قبل أن تتحول إلى أزمات صحية عامة.

بالنسبة لإدارات وهيئات إدارة المياه، التي لديها نتائج شبه فورية يمكن أن يؤدي هذا إلى تحسين قدرة الاستجابة بشكل كبير، مما يسمح، على سبيل المثال، بتفعيل قيود الاستهلاك، أو التنبيهات العامة، أو إجراء تحقيقات أكثر تفصيلاً عند اكتشاف قيم مشبوهة.

قابلية التوسع بفضل الطباعة ثلاثية الأبعاد وفرص الابتكار

من بين العناصر التي تجعل هذا المشروع مثيرًا للاهتمام بشكل خاص هو أن هذا الملحق يتم إنتاجه بواسطة طباعة 3Dوهذا يعني أنه، على الأقل نظرياً، يمكن للمنظمات المختلفة تصنيع الجهاز محلياً دون الحاجة إلى مصانع صناعية كبيرة، شريطة أن يكون لديها الخطط والمواصفات اللازمة.

يُتيح هذا النهج إمكانية تطبيق نماذج التصنيع الموزعة، حيث يمكن للجامعات، ومساحات الابتكار، والشركات الصغيرة، والمؤسسات العامة طباعة الملحقات وفقًا للطلب في منطقتها. ففي أوروبا، على سبيل المثال، تمتلك العديد من المدن ومراكز الأبحاث بالفعل بنية تحتية للطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يُسهّل عملية التصنيع. اختبر الجهاز وقم بتكييفه إلى سياقات مختلفة.

يمكن أن يجد النظام البيئي الريادي المرتبط بالصحة البيئية وتكنولوجيا الهواتف المحمولة أرضاً خصبة هنا أيضاً. ويمكن بناء الخدمات على هذا النوع من الاختبارات. المراقبة المرجعية الجغرافية، ومنصات الإنذار المبكر، وتطبيقات إدارة البيانات والتي تساعد السلطات والمنظمات على تصور وضع المياه على الخريطة في الوقت الفعلي تقريبًا.

على الرغم من أن هذا التطوير نشأ في بيئة بحثية، إلا أنه من السهل تصور التعاون مع الشركات الناشئة في مجال التكنولوجيا الصحية، وشركات المياه، وشركات الاتصالات، أو الإدارات العامة المهتمة بتعزيز أمن الإمداد. وعلى أي حال، سيكون من الضروري تحقيق التوازن بين المصالح التجارية وإمكانية الوصول في المناطق التي تكون فيها ميزانية مراقبة الجودة محدودة للغاية.

التحديات البارزة: موثوقية الميدان، والتنظيم، والاعتماد على نطاق واسع

كما هو الحال مع أي تقنية ناشئة، لا يزال هذا الاختبار السريع للهواتف الذكية قيد التطوير. هناك العديد من التحديات المقبلة قبل أن تصبح أداة يومية. تتمثل إحدى الخطوات الرئيسية في التحقق من أدائها في ظروف العالم الحقيقي، خارج البيئة الخاضعة للرقابة في المختبر حيث أجريت الاختبارات الأولية.

في الميدان، قد يتواجد الماء مستويات مختلفة من العكارة، وقيم الأس الهيدروجيني، ودرجات الحرارة، ووجود مواد أخرى مما قد يؤثر على كشف اليوروبيلين أو جودة الصورة الملتقطة بكاميرا الهاتف المحمول. وسيكون التحقق من أداء النظام في ظل هذه الظروف المختلفة أمراً بالغ الأهمية لضمان نتائج موثوقة وتجنب الإنذارات الكاذبة أو الشعور الزائف بالأمان.

ومن النقاط المهمة الأخرى الاعتماد. فلكي يُستخدم هذا النوع من الاختبارات رسمياً في أوروبا أو غيرها من المناطق، سيتعين عليه الخضوع لعمليات التقييم والموافقة لدى السلطات المختصة. السلطات الصحية والهيئات التنظيميةقد تستغرق هذه المرحلة بعض الوقت، لكنها ضرورية لقبول النتائج في سياقات المراقبة الرسمية.

وأخيرًا، يعتمد انتشار استخدام هذا الملحق على كلٍ من تكلفته النهائية وتطبيقاته، بالإضافة إلى مستوى التدريب اللازم لاستخدامه بشكل صحيح. ورغم أن التشغيل الأساسي قد يبدو بسيطًا، إلا أنه من المرجح أن يتطلب الأمر مزيدًا من التدريب. بروتوكولات واضحة للاستخدام والصيانة والمعايرةبالإضافة إلى آليات الدعم وتحديثات البرامج لضمان بقاء الجهاز موثوقًا به بمرور الوقت.

على الرغم من هذه الأمور المجهولة، فإن الجمع بين عنصر واسع الانتشار مثل الهاتف الذكي مع ملحق منخفض التكلفة والطباعة ثلاثية الأبعاد يشير إلى سيناريو يمكن فيه أن يصبح التحقق السريع مما إذا كانت المياه تظهر علامات التلوث البرازي أكثر سهولة وتكرارًا مما هو عليه اليوم، سواء في أوروبا أو في مناطق أخرى ذات موارد أقل.