Mikroskopické částice a AI: Nová naděje pro detekci znečištění v životním prostředí i v krvi

Nanopartikule na sklíčku mikroskopu zvyšují citlivost pro detekci stopových množství nebezpečných znečišťujících látek. Po celých Spojených státech jsou stovky lokalit na souši i ve vodních tocích silně kontaminovány nebezpečným odpadem vzniklým lidskou činností. Mnoho z těchto míst, označených Agenturou pro ochranu životního prostředí (EPA) jako Superfund sites, se nachází v Houstonu v Texasu, městě, kde žijí a pracují autoři článku.

Nebezpečné kontaminanty, které se na těchto místech vyskytují a mohou zvyšovat riziko rakoviny – jako například polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) – jsou všudypřítomné v půdě a vodě. Detekce těchto kontaminantů je prvním krokem k jejich odstranění a zajištění bezpečnosti životního prostředí.

Standardní metody EPA pro analýzu vzorků vody z vrtů například zahrnují nákladné techniky, které vyžadují provedení na jiném místě a trvají týdny. Výzkumná skupina autorů se zabývá vývojem nových, dostupnějších a přenosných metod pro detekci toxických znečišťujících látek v půdě, vodě a dokonce i v krvi.

Kolegové využívají metody strojového učení k detekci jednotlivých sloučenin ve směsích bez nutnosti jejich separace a k automatické identifikaci těchto sloučenin porovnáním s digitální databází. Strojové učení umožňuje zefektivnit analýzu kontaminovaných lokalit, rychleji detekovat nebezpečné znečišťující látky přímo na místě a tím dosáhnout efektivnějšího monitorování životního prostředí.

Představte si, že se díváte na konec pramínku vlasu zepředu. Sotva byste viděli šířku tenkého vlákna. Nyní si představte materiál, který je 1000krát menší než šířka tohoto vlasu. Nic byste neviděli. Výzkum využívá mikroskopické objekty známé jako nanopartikule, které mají přibližně tuto velikost.

Tyto nanopartikule interagují se světlem jedinečnými způsoby – podobně jako lupa soustředí sluneční světlo. Jakékoli látky v blízkosti nanopartikul jsou vystaveny tomuto soustředěnému světlu. Tato vlastnost je využita tak, že se na nanopartikule nasměruje paprsek infračerveného světla, přičemž látky v jejich okolí absorbují intenzivní světlo a generují signál. Tento signál lze detekovat pomocí spektrofotometru – přístroje, který měří množství světla o specifické frekvenci.

Jakákoli toxická znečišťující látka v blízkosti nanopartikul bude absorbovat více infračerveného světla, než by normálně absorbovala, čímž se zesílí měřený signál. Tento proces nastává pouze tehdy, když je znečišťující látka blízko povrchu nanopartikul. Ale i nejmenší koncentrace těchto znečišťujících látek lze detekovat díky zesílení nanopartikulami, pokud jsou v jejich blízkosti.

V laboratoři se nanopartikule vyrábějí z roztoků solí kovů. Následně se rozpustí v tekutině, čímž vznikne "inkoust", který se nanese na skleněné mikroskopické destičky. Po zaschnutí inkoustu zůstanou na povrchu skla nanopartikule naskládané dohromady, podobně jako korálky na diamantovém malířském setu.

Po přípravě "inkoustu" z nanopartikul se na zbarvené sklo kápne kapka kontaminované vody a nechá se znovu zaschnout. Během tohoto procesu se molekuly znečišťujících látek přichytí k nanopartikulám. Po zaschnutí se sklo vloží do spektrofotometru a měří se absorbované a emitované světlo znečišťujícími látkami na nanopartikulách.

Specifické frekvence světla, které sloučenina absorbuje a emituje, fungují jako její "podpis". Každá znečišťující látka bude mít jiný podpis, který lze použít k její identifikaci ve vodě.

Schéma nanopartikul na sklíčku, které jsou ozařovány infračerveným světlem. Molekuly přichycené na povrchu částic zesilují světlo, které mohou absorbovat, čímž činí detekovatelnými i stopová množství sloučeniny.