Группа исследователей из университетов Шотландии, Португалии и Германии разработала датчик, который может помочь обнаружить наличие пестицидов в очень низких концентрациях в пробах воды.
Их работа, описанная в новой статье, опубликованной сегодня в журнале Polymer Materials and Engineering, может сделать мониторинг качества воды быстрее, проще и дешевле.
Пестициды широко используются в сельском хозяйстве по всему миру для предотвращения потерь урожая. Однако следует соблюдать осторожность, поскольку даже небольшие утечки в почву, грунтовые или морские воды могут нанести вред здоровью людей, животных и окружающей среды.
Регулярный мониторинг окружающей среды необходим для минимизации загрязнения воды и оперативного принятия мер при обнаружении пестицидов в пробах воды. В настоящее время тестирование пестицидов обычно проводится в лабораторных условиях с использованием таких методов, как хроматография и масс-спектрометрия.
Хотя эти тесты дают надёжные и точные результаты, их проведение может быть трудоёмким и дорогостоящим. Одной из перспективных альтернатив является инструмент химического анализа, называемый поверхностно-усиленным комбинационным рассеянием (SERS).
Когда свет падает на молекулу, он рассеивается на разных частотах в зависимости от её молекулярной структуры. Метод SERS позволяет учёным обнаружить и определить количество остаточных молекул в исследуемом образце, адсорбированных на поверхности металла, анализируя уникальный «отпечаток» света, рассеянного молекулами.
Этот эффект можно усилить, модифицировав поверхность металла таким образом, чтобы она могла адсорбировать молекулы, тем самым улучшая способность датчика обнаруживать низкие концентрации молекул в образце.
Исследовательская группа поставила перед собой задачу разработать новый, более портативный метод испытаний, который мог бы адсорбировать молекулы в образцах воды с использованием доступных 3D-печатных материалов и обеспечивать точные первоначальные результаты в полевых условиях.
Для этого они изучили несколько различных типов клеточных структур, изготовленных из смеси полипропилена и многослойных углеродных нанотрубок. Здания были созданы с помощью расплавленных нитей — распространённого метода 3D-печати.
Используя традиционные методы «мокрой химии», наночастицы серебра и золота осаждаются на поверхности клеточной структуры, обеспечивая процесс поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния.
Они проверили способность нескольких различных структур клеточных материалов, напечатанных на 3D-принтере, поглощать и адсорбировать молекулы органического красителя метиленового синего, а затем проанализировали их с помощью портативного рамановского спектрометра.
Материалы, показавшие наилучшие результаты в первоначальных испытаниях – решётчатые конструкции (периодические ячеистые структуры), связанные с наночастицами серебра – были затем добавлены на тест-полоску. Небольшие количества настоящих инсектицидов (сирама и параквата) были добавлены к образцам морской и пресной воды и помещены на тест-полоски для анализа методом SERS.
Вода берется 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 полоски способны обнаружить две молекулы пестицида в концентрации всего лишь 1 микромоль, что эквивалентно одной молекуле пестицида на миллион молекул воды.
Одним из авторов статьи является профессор Шанмугам Кумар из Школы инженерии имени Джеймса Уатта при Университете Глазго. Эта работа основана на его исследовании использования технологии 3D-печати для создания наноинженерных структурных решёток с уникальными свойствами.
«Результаты этого предварительного исследования весьма обнадеживают и показывают, что эти недорогие материалы могут быть использованы для производства сенсоров SERS для обнаружения пестицидов даже в очень низких концентрациях».
Доктор Сара Фатейша из Института материалов CICECO при Университете Авейру, соавтор статьи, разработала плазменные наночастицы, поддерживающие технологию SERS. В данной статье рассматривается способность системы обнаруживать определённые типы загрязнителей воды, однако данная технология может быть легко применена для мониторинга наличия загрязнителей в воде.
Время публикации: 24 января 2024 г.