Ett forskarteam från universitet i Skottland, Portugal och Tyskland har utvecklat en sensor som kan hjälpa till att upptäcka förekomsten av bekämpningsmedel i mycket låga koncentrationer i vattenprover.
Deras arbete, som beskrivs i en ny artikel som publiceras idag i tidskriften Polymer Materials and Engineering, skulle kunna göra vattenövervakning snabbare, enklare och billigare.
Bekämpningsmedel används flitigt inom jordbruket runt om i världen för att förhindra grödförluster. Försiktighet måste dock iakttas, eftersom även små läckor i mark, grundvatten eller havsvatten kan orsaka skador på människors, djurs och miljöns hälsa.
Regelbunden miljöövervakning är avgörande för att minimera vattenföroreningar så att snabba åtgärder kan vidtas när bekämpningsmedel detekteras i vattenprover. För närvarande utförs bekämpningsmedelstestning vanligtvis under laboratorieförhållanden med metoder som kromatografi och masspektrometri.
Även om dessa tester ger tillförlitliga och noggranna resultat kan de vara tidskrävande och dyra att utföra. Ett lovande alternativ är ett kemiskt analysverktyg som kallas ytförstärkt Ramanspridning (SERS).
När ljus träffar en molekyl sprids det med olika frekvenser beroende på molekylens molekylstruktur. SERS gör det möjligt för forskare att detektera och identifiera mängden kvarvarande molekyler i ett testprov som adsorberats på en metallyta genom att analysera det unika "fingeravtrycket" av ljus som sprids av molekylerna.
Denna effekt kan förstärkas genom att modifiera metallytan så att den kan adsorbera molekyler, vilket förbättrar sensorns förmåga att detektera låga koncentrationer av molekyler i provet.
Forskargruppen satte sig för att utveckla en ny, mer portabel testmetod som skulle kunna adsorbera molekyler i vattenprover med hjälp av tillgängliga 3D-utskrivna material och ge exakta initiala resultat i fält.
För att göra det studerade de flera olika typer av cellstrukturer gjorda av en blandning av polypropen och flerväggiga kolnanorör. Byggnaderna skapades med hjälp av smälta filament, en vanlig typ av 3D-utskrift.
Med hjälp av traditionella våtkemitekniker avsätts silver- och guldnanopartiklar på ytan av cellstrukturen för att möjliggöra en ytförstärkt Ramanspridningsprocess.
De testade förmågan hos flera olika 3D-printade cellmaterialstrukturer att absorbera och adsorbera molekyler av det organiska färgämnet metylenblått, och analyserade dem sedan med hjälp av en bärbar Ramanspektrometer.
De material som presterade bäst i de inledande testerna – gittermönster (periodiska cellstrukturer) bundna till silver-nanopartiklar – tillsattes sedan till testremsan. Små mängder riktiga insekticider (Siram och paraquat) tillsattes till havsvatten- och sötvattenprover och placerades på testremsor för SERS-analys.
Vattnet tas från flodmynningen i Aveiro, Portugal, och från kranar i samma område, vilka regelbundet testas för att effektivt övervaka vattenföroreningar.
Forskarna fann att remsorna kunde detektera två bekämpningsmedelsmolekyler i koncentrationer så låga som 1 mikromol, vilket motsvarar en bekämpningsmedelsmolekyl per miljon vattenmolekyler.
Professor Shanmugam Kumar, från James Watt School of Engineering vid University of Glasgow, är en av författarna till artikeln. Detta arbete bygger vidare på hans forskning om användningen av 3D-utskriftsteknik för att skapa nanokonstruerade strukturella gitter med unika egenskaper.
"Resultaten av denna preliminära studie är mycket uppmuntrande och visar att dessa billiga material kan användas för att producera sensorer för SERS för att detektera bekämpningsmedel, även vid mycket låga koncentrationer."
Dr. Sara Fateixa från CICECO Aveiro Materials Institute vid universitetet i Aveiro, medförfattare till artikeln, har utvecklat plasma-nanopartiklar som stöder SERS-teknik. Även om denna artikel undersöker systemets förmåga att upptäcka specifika typer av vattenföroreningar, skulle tekniken enkelt kunna tillämpas för att övervaka förekomsten av vattenföroreningar.
Publiceringstid: 24 januari 2024