Группа исследователей из университетов Шотландии, Португалии и Германии разработала датчик, способный обнаруживать присутствие пестицидов в очень низких концентрациях в образцах воды.
Результаты их работы, описанные в новой статье, опубликованной сегодня в журнале Polymer Materials and Engineering, могут сделать мониторинг качества воды быстрее, проще и дешевле.
Пестициды широко используются в сельском хозяйстве по всему миру для предотвращения потерь урожая. Однако следует проявлять осторожность, поскольку даже небольшие утечки в почву, грунтовые воды или морскую воду могут нанести вред здоровью человека, животных и окружающей среде.
Регулярный мониторинг окружающей среды необходим для минимизации загрязнения воды, чтобы можно было незамедлительно принимать меры при обнаружении пестицидов в пробах воды. В настоящее время тестирование на пестициды обычно проводится в лабораторных условиях с использованием таких методов, как хроматография и масс-спектрометрия.
Хотя эти тесты дают надежные и точные результаты, их проведение может быть трудоемким и дорогостоящим. Одной из перспективных альтернатив является метод химического анализа, называемый поверхностно-усиленным рамановским рассеянием (SERS).
Когда свет попадает на молекулу, он рассеивается на разных частотах в зависимости от молекулярной структуры молекулы. Метод SERS позволяет ученым обнаруживать и идентифицировать количество остаточных молекул в образце, адсорбированных на металлической поверхности, путем анализа уникального «отпечатка пальца» света, рассеянного молекулами.
Этот эффект можно усилить, модифицировав поверхность металла таким образом, чтобы она могла адсорбировать молекулы, тем самым улучшив способность датчика обнаруживать низкие концентрации молекул в образце.
Перед исследовательской группой стояла задача разработать новый, более портативный метод тестирования, который мог бы адсорбировать молекулы в образцы воды с использованием доступных материалов, полученных методом 3D-печати, и обеспечивать точные предварительные результаты в полевых условиях.
Для этого они изучили несколько различных типов клеточных структур, созданных из смеси полипропилена и многослойных углеродных нанотрубок. Здания были созданы с использованием расплавленных нитей, распространенного метода 3D-печати.
С помощью традиционных методов жидкостной химии на поверхность клеточной структуры наносятся наночастицы серебра и золота, что позволяет осуществить процесс усиленного поверхностного рамановского рассеяния.
Они протестировали способность нескольких различных структур из 3D-печатного клеточного материала поглощать и адсорбировать молекулы органического красителя метиленового синего, а затем проанализировали их с помощью портативного рамановского спектрометра.
Материалы, показавшие наилучшие результаты в первоначальных тестах – решетчатые структуры (периодические клеточные структуры), связанные с наночастицами серебра, – затем добавляли на тест-полоску. Небольшие количества настоящих инсектицидов (сирам и паракват) добавляли в образцы морской и пресной воды и помещали на тест-полоски для SERS-анализа.
Вода забирается из устья реки в Авейру, Португалия, а также из кранов в этом же районе, которые регулярно проверяются для эффективного мониторинга загрязнения воды.
Исследователи обнаружили, что тест-полоски способны обнаруживать две молекулы пестицида в концентрациях всего лишь 1 микромоль, что эквивалентно одной молекуле пестицида на миллион молекул воды.
Профессор Шанмугам Кумар из Инженерной школы имени Джеймса Уатта при Университете Глазго является одним из авторов статьи. Эта работа основана на его исследованиях по использованию технологии 3D-печати для создания наноинженерных структурных решеток с уникальными свойствами.
«Результаты этого предварительного исследования очень обнадеживают и показывают, что эти недорогие материалы можно использовать для производства датчиков SERS для обнаружения пестицидов, даже в очень низких концентрациях».
Доктор Сара Фатейша из Института материалов CICECO Aveiro при Университете Авейру, соавтор статьи, разработала плазменные наночастицы, поддерживающие технологию SERS. Хотя в данной статье рассматривается способность системы обнаруживать определенные типы загрязняющих веществ в воде, эта технология может быть легко применена для мониторинга наличия загрязняющих веществ в воде.
Дата публикации: 24 января 2024 г.