Team maakt goedkope, 3D-geprinte sensor voor waterverontreiniging

Een nieuwe vorm van goedkope, 3D-geprinte waterverontreinigingssensor zou een grote opmars kunnen maken in de wereld van milieumonitoring, zeggen de ontwikkelaars.

Een team van onderzoekers van universiteiten in Schotland, Portugal en Duitsland ontwikkelde de sensor, die kan helpen bij het detecteren van de aanwezigheid van zeer lage concentraties pesticiden in watermonsters.

Hun werk, beschreven in een nieuw artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Macromoleculaire materialen en techniekzou watermonitoring sneller, gemakkelijker en betaalbaarder kunnen maken.

Pesticiden worden in de landbouw over de hele wereld veel gebruikt om oogstverlies te voorkomen. Ze moeten echter zorgvuldig worden behandeld, aangezien zelfs kleine lozingen in de bodem, het grondwater of zeewater schadelijk kunnen zijn voor de gezondheid van mens, dier en milieu.

Regelmatige milieumonitoring is van cruciaal belang om waterverontreiniging tot een minimum te beperken, waardoor snel kan worden gehandeld wanneer de aanwezigheid van pesticiden in watermonsters wordt gedetecteerd. Momenteel worden pesticidetests meestal uitgevoerd in laboratoriumomgevingen met behulp van technieken zoals chromatografie en massaspectrometrie.

Hoewel deze tests betrouwbare en nauwkeurige resultaten opleveren, zijn ze tijdrovend en duur om uit te voeren. Een veelbelovend alternatief is een hulpmiddel voor chemische analyse, oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing of SERS.

Wanneer licht moleculen raakt, verstrooit het zich op een manier die duidelijk verschillende frequenties heeft, afhankelijk van de moleculaire structuur van het molecuul. Met SERS kunnen wetenschappers rudimentaire hoeveelheden moleculen in testmonsters die op een metalen oppervlak zijn geadsorbeerd, detecteren en identificeren door de unieke “vingerafdruk” te analyseren van hoe de moleculen licht verstrooien.

Het effect kan worden versterkt door het metalen oppervlak te verbeteren, zodat het de moleculen kan adsorberen, waardoor sensoren beter in staat zijn om lage concentraties moleculen in monsters te detecteren.

Het onderzoeksteam wilde een nieuwe, meer draagbare testmethode ontwikkelen die betaalbare, 3D-geprinte materialen zou kunnen gebruiken om moleculen uit watermonsters te adsorberen en nauwkeurige eerste resultaten in het veld te leveren.

Om dit te doen, onderzochten ze verschillende soorten cellulaire architecturen gemaakt van mengsels van polypropyleen en meerwandige koolstofnanobuisjes. De architecturen zijn geproduceerd met behulp van fused filament fabricage, een veelgebruikte vorm van 3D-printen.

Het oppervlak van de cellulaire architecturen werd gecoat met zilveren en gouden nanodeeltjes met behulp van een gebruikelijke natte chemische benadering om het oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiingsproces mogelijk te maken.

Ze testten het vermogen van verschillende architectonische ontwerpen van de 3D-geprinte cellulaire materialen om moleculen van een organische kleurstof genaamd methyleenblauw op te nemen en te adsorberen, voordat ze werden geanalyseerd door een draagbare Raman-spectrometer.

Het best presterende materiaal van die eerste tests – een roosterontwerp (periodieke cellulaire architectuur) gecombineerd met zilveren nanodeeltjes – werd vervolgens toegevoegd aan teststrips. Monsters van zee- en zoetwater verrijkt met kleine hoeveelheden echte pesticiden, thiram en paraquat genaamd, werden op de teststrips gedropt voor SERS-analyse.

Het water werd gehaald uit een estuarium in Aveiro, Portugal en uit kranen in hetzelfde gebied, locaties die regelmatig worden onderworpen aan controletests op waterverontreiniging in de praktijk.

De onderzoekers ontdekten dat de teststrips moleculen van beide pesticiden konden detecteren in concentraties van slechts 1 micromolair, wat overeenkomt met één molecuul pesticide op een miljoen moleculen water.

Professor Shanmugam Kumar, van de James Watt School of Engineering van de Universiteit van Glasgow, is een van de corresponderende auteurs van het artikel. Het werk bouwt voort op zijn onderzoek naar het gebruik van 3D-printtechnieken om nano-ontworpen architectonische roosters met unieke eigenschappen te creëren.

Hij zei: “SERS is een waardevolle diagnostische techniek met toepassingen in een breed scala van verschillende gebieden. Het sensorsubstraatmateriaal dat we hebben ontwikkeld profiteert van een optimale combinatie van het grote oppervlak van het door nanokoolstof ontworpen architectonische rooster en de opmerkelijke optische eigenschappen van de metalen nanodeeltjes.

“De interactie van het sterke lokale elektromagnetische veld in de metalen nanodeeltjes en de chemische mechanismen van het koolstofhoudende materiaal creëert een zeer actief oppervlak voor SERS-analyse.

“De resultaten van deze eerste studie zijn zeer bemoedigend en tonen aan dat deze goedkope materialen kunnen worden gebruikt om sensoren te produceren voor SERS-detectie van pesticiden, zelfs bij zeer lage concentraties.”

Dr. Sara Fateixa, van het CICECO Aveiro Institute of Materials van de Universiteit van Aveiro, was co-auteur van het artikel en ontwierp de plasmonische nanodeeltjes die de SERS-techniek mogelijk maken. Ze zei: “Hoewel dit artikel het potentieel van het systeem onderzoekt om specifieke soorten waterverontreinigende stoffen te detecteren, kan de techniek gemakkelijk worden aangepast om de aanwezigheid van een breed scala aan chemicaliën in monsters te controleren.

“In de landbouw kan de melk van vee, die herstellende is van een ziekte die met antibiotica is behandeld, bijvoorbeeld pas worden verkocht nadat het medicijn hun systemen heeft verlaten. Momenteel zijn de tests die aantonen dat hun melk klaar is voor gebruik terug op de markt zijn duur, maar onze diagnostische materialen kunnen veel goedkoper worden afgestemd om betrouwbare resultaten te bieden.

“We kijken ernaar uit om dit veelbelovende sensormateriaal verder te ontwikkelen voor gebruik in SERS-toepassingen.”