Microscopio de bajo coste con capacidad de fluorescencia y espectroscopía Raman para la identificación de fitoplancton

Abstract

RESUMEN: El fitoplancton es el conjunto de seres vivos unicelulares de origen vegetal con capacidad de realizar la fotosíntesis que pueblan las aguas marinas y dulces de todo el planeta. Son una parte fundamental de estos ecosistemas por ser alimento primario y regular la concentración de oxígeno en el agua, fijando el CO2 atmosférico. Los sucesos en los que el fitoplancton sufre un rápido aumento en su población se conocen como floraciones de algas. Una floración de algas nocivas (harmful algal bloom, HAB) ocurre cuando causa impactos negativos al producir toxinas naturales, originando consecuencias fatales tanto a otros organismos como al medio ambiente natural y con importantes repercusiones económicas, por ejemplo, para la industria de la acuicultura. La detección de las HAB cuando los niveles de toxinas son alarmantes se produce con poca antelación, por lo que es de gran importancia el desarrollo de herramientas de detección y predicción tempranas. Las soluciones actuales que contribuyen a cubrir esta brecha suelen consistir en equipos de laboratorio costosos y de gran complejidad que requieren de profesionales altamente capacitados con una experiencia casi única en la identificación visual de especies dañinas. Por ello, es fundamental el desarrollo de métodos de identificación y cuantificación rentables, rápidos y fiables. En este trabajo se lleva a cabo la construcción de un microscopio de bajo coste imprimible en 3D, basado en el proyecto OpenFlexure, desarrollado por investigadores de la Universidad de Bath. El objetivo es la mejora del diseño para permitir un análisis in situ del fitoplancton, incorporando un sistema de microfluídica y tres modalidades de microscopía: campo claro, fluorescencia y espectroscopía Raman. Además de la construcción del microscopio OpenFlexure, se han realizado propuestas de rediseño, que se han simulado, probado experimentalmente y validado tras compararlas con equipos de referencia de laboratorio.

ABSTRACT: Phytoplankton is the set of unicellular living beings of plant origin with the capacity to carry out photosynthesis that populate marine and fresh waters all over the world. They are a fundamental part of these ecosystems because they are a primary food and because they regulate the concentration of oxygen in the water, fixing the atmospheric CO2. Events in which phytoplankton rapidly increases in population are known as algal blooms. A harmful algal bloom (HAB) occurs when it causes a negative impact on the environment by producing natural toxins. This leads to fatal consequences both to other organisms and to the natural environment as well as significant economic repercussions, for example, in the field of aquaculture industry. The detection of HABs when toxin levels are alarming occurs at short notice, so the deve lopment of early detection and prediction tools is of great importance. Current solutions that help to bridge this gap often consist of expensive and highly complex laboratory equipment requiring highly trained professionals with almost unique expertise in visual identification of harmful species. Therefore, the development of cost-effective, rapid and reliable identification and quantification methods is essential. In this research work, a low-cost 3D-printed microscope is constructed based on the OpenFlexure project, developed by researchers at the University of Bath. The objective is to improve the design to allow in-situ analyses of phytoplankton, incorporating a microfluidic system and three microscopy modalities: brightfield, fluorescence and Raman spectroscopy. In addition to the construction of the OpenFlexure microscope, redesigned proposals have been made, which have been simulated, experimentally tested and validated against laboratory reference equipment.