Ūdens kvalitātes sensors

Pētnieku komanda no Skotijas, Portugāles un Vācijas universitātēm ir izstrādājusi sensoru, kas var palīdzēt noteikt pesticīdu klātbūtni ļoti zemās koncentrācijās ūdens paraugos.
Viņu darbs, kas aprakstīts jaunā rakstā, kas šodien publicēts žurnālā "Polymer Materials and Engineering", varētu padarīt ūdens monitoringu ātrāku, vienkāršāku un lētāku.
Pesticīdi tiek plaši izmantoti lauksaimniecībā visā pasaulē, lai novērstu ražas zudumus. Tomēr jāievēro piesardzība, jo pat nelielas noplūdes augsnē, gruntsūdeņos vai jūras ūdenī var kaitēt cilvēku, dzīvnieku un vides veselībai.

Regulāra vides uzraudzība ir būtiska, lai samazinātu ūdens piesārņojumu un varētu nekavējoties rīkoties, ja ūdens paraugos tiek atklāti pesticīdi. Pašlaik pesticīdu testēšana parasti tiek veikta laboratorijas apstākļos, izmantojot tādas metodes kā hromatogrāfija un masas spektrometrija.
Lai gan šie testi sniedz ticamus un precīzus rezultātus, to veikšana var būt laikietilpīga un dārga. Viena daudzsološa alternatīva ir ķīmiskās analīzes rīks, ko sauc par virsmas pastiprinātu Ramana izkliedi (SERS).
Kad gaisma trāpa molekulai, tā izkliedējas dažādās frekvencēs atkarībā no molekulas molekulārās struktūras. SERS ļauj zinātniekiem noteikt un identificēt atlikušo molekulu daudzumu testa paraugā, kas adsorbēts uz metāla virsmas, analizējot unikālo gaismas "pirkstu nospiedumu", ko izkliedē molekulas.
Šo efektu var pastiprināt, modificējot metāla virsmu tā, lai tā varētu adsorbēt molekulas, tādējādi uzlabojot sensora spēju noteikt zemu molekulu koncentrāciju paraugā.
Pētnieku komanda nolēma izstrādāt jaunu, pārnēsājamāku testa metodi, kas varētu adsorbēt molekulas ūdens paraugos, izmantojot pieejamos 3D drukātos materiālus, un sniegt precīzus sākotnējos rezultātus uz lauka.
Lai to izdarītu, viņi pētīja vairākus dažādus šūnu struktūru veidus, kas izgatavoti no polipropilēna un daudzsienu oglekļa nanocaurulīšu maisījuma. Ēkas tika izveidotas, izmantojot izkausētus pavedienus, kas ir izplatīts 3D drukāšanas veids.
Izmantojot tradicionālās mitrās ķīmijas metodes, sudraba un zelta nanodaļiņas tiek nogulsnētas uz šūnu struktūras virsmas, lai nodrošinātu virsmas pastiprinātu Ramana izkliedes procesu.
Viņi pārbaudīja vairāku dažādu 3D drukātu šūnu materiālu struktūru spēju absorbēt un adsorbēt organiskās krāsvielas metilēnzilā molekulas un pēc tam analizēja tās, izmantojot portatīvo Ramana spektrometru.
Materiāli, kas sākotnējos testos uzrādīja vislabākos rezultātus – režģa struktūras (periodiskas šūnu struktūras), kas saistītas ar sudraba nanodaļiņām – pēc tam tika pievienoti testa strēmelītēm. Jūras ūdens un saldūdens paraugiem tika pievienots neliels daudzums īstu insekticīdu (Siram un parakvāts) un novietots uz testa strēmelītēm SERS analīzei.
Ūdens tiek ņemts no upes ietekas Aveiru pilsētā, Portugālē, un no krāniem tajā pašā apgabalā, kurus regulāri pārbauda, lai efektīvi uzraudzītu ūdens piesārņojumu.
Pētnieki atklāja, ka strēmeles spēja noteikt divas pesticīdu molekulas koncentrācijās, kas ir tikai 1 mikromols, kas ir līdzvērtīga vienai pesticīdu molekulai uz miljonu ūdens molekulu.
Viens no raksta autoriem ir profesors Šanmugams Kumars no Džeimsa Vata Inženierzinātņu skolas Glāzgovas Universitātē. Šis darbs balstās uz viņa pētījumu par 3D drukāšanas tehnoloģijas izmantošanu, lai radītu nanoinženierijas veidotus strukturālus režģus ar unikālām īpašībām.
"Šī provizoriskā pētījuma rezultāti ir ļoti iepriecinoši un liecina, ka šos lētos materiālus var izmantot, lai ražotu sensorus SERS pesticīdu noteikšanai pat ļoti zemās koncentrācijās."
Raksta līdzautore Dr. Sara Fateixa no CICECO Aveiro Materiālu institūta Aveiro Universitātē ir izstrādājusi plazmas nanodaļiņas, kas atbalsta SERS tehnoloģiju. Lai gan šajā rakstā tiek pētīta sistēmas spēja noteikt specifiskus ūdens piesārņotāju veidus, šo tehnoloģiju varētu viegli pielietot arī ūdens piesārņotāju klātbūtnes uzraudzībai.