Waterkwaliteitssensor

Een team van onderzoekers van universiteiten in Schotland, Portugal en Duitsland heeft een sensor ontwikkeld die de aanwezigheid van pesticiden in zeer lage concentraties in watermonsters kan detecteren.
Hun werk, beschreven in een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in het tijdschrift Polymer Materials and Engineering, zou watermonitoring sneller, gemakkelijker en goedkoper kunnen maken.
Bestrijdingsmiddelen worden wereldwijd veel gebruikt in de landbouw om oogstverliezen te voorkomen. Voorzichtigheid is echter geboden, want zelfs kleine lekkages in de bodem, het grondwater of het zeewater kunnen schadelijk zijn voor de gezondheid van mens, dier en milieu.

Regelmatige milieumonitoring is essentieel om waterverontreiniging te minimaliseren, zodat er snel actie kan worden ondernomen wanneer pesticiden in watermonsters worden aangetroffen. Momenteel wordt pesticidenonderzoek meestal in laboratoria uitgevoerd met behulp van methoden zoals chromatografie en massaspectrometrie.
Hoewel deze tests betrouwbare en nauwkeurige resultaten opleveren, kunnen ze tijdrovend en kostbaar zijn. Een veelbelovend alternatief is een chemische analysetechniek genaamd oppervlakteversterkte Ramanverstrooiing (SERS).
Wanneer licht een molecuul raakt, wordt het verstrooid met verschillende frequenties, afhankelijk van de moleculaire structuur van het molecuul. SERS stelt wetenschappers in staat om de hoeveelheid resterende moleculen in een testmonster, geadsorbeerd op een metalen oppervlak, te detecteren en te identificeren door de unieke "vingerafdruk" van het door de moleculen verstrooide licht te analyseren.
Dit effect kan worden versterkt door het metalen oppervlak zodanig aan te passen dat het moleculen kan adsorberen, waardoor het vermogen van de sensor om lage concentraties moleculen in het monster te detecteren wordt verbeterd.
Het onderzoeksteam stelde zich ten doel een nieuwe, meer draagbare testmethode te ontwikkelen waarmee moleculen in watermonsters konden worden geadsorbeerd met behulp van beschikbare 3D-geprinte materialen, en die nauwkeurige eerste resultaten in het veld kon opleveren.
Om dit te bereiken, bestudeerden ze verschillende soorten celstructuren gemaakt van een mengsel van polypropyleen en meerwandige koolstofnanobuisjes. De bouwwerken werden gemaakt met behulp van gesmolten filamenten, een veelgebruikte 3D-printtechniek.
Met behulp van traditionele natchemische technieken worden zilver- en goudnanodeeltjes op het oppervlak van de celstructuur afgezet om een ​​oppervlakteversterkt Raman-verstrooiingsproces mogelijk te maken.
Ze testten het vermogen van verschillende 3D-geprinte celmateriaalstructuren om moleculen van de organische kleurstof methyleenblauw te absorberen en adsorberen, en analyseerden deze vervolgens met behulp van een draagbare Raman-spectrometer.
De materialen die in de eerste tests het beste presteerden – roosterstructuren (periodieke cellulaire structuren) gebonden aan zilvernanodeeltjes – werden vervolgens aan de teststrip toegevoegd. Kleine hoeveelheden echte insecticiden (Siram en paraquat) werden toegevoegd aan zeewater- en zoetwatermonsters en op teststrips geplaatst voor SERS-analyse.
Het water wordt gewonnen uit de monding van de rivier in Aveiro, Portugal, en uit kranen in hetzelfde gebied, die regelmatig worden getest om watervervuiling effectief te monitoren.
De onderzoekers ontdekten dat de strips in staat waren om twee pesticidemoleculen te detecteren in concentraties van slechts 1 micromol, wat overeenkomt met één pesticidemolecuul per miljoen watermoleculen.
Professor Shanmugam Kumar, van de James Watt School of Engineering aan de Universiteit van Glasgow, is een van de auteurs van het artikel. Dit werk bouwt voort op zijn onderzoek naar het gebruik van 3D-printtechnologie voor het creëren van nano-geëngineerde structurele roosters met unieke eigenschappen.
"De resultaten van deze voorlopige studie zijn zeer bemoedigend en tonen aan dat deze goedkope materialen gebruikt kunnen worden om sensoren voor SERS te produceren waarmee pesticiden gedetecteerd kunnen worden, zelfs bij zeer lage concentraties."
Dr. Sara Fateixa van het CICECO Aveiro Materials Institute aan de Universiteit van Aveiro, een van de coauteurs van het artikel, heeft plasma-nanodeeltjes ontwikkeld die SERS-technologie ondersteunen. Hoewel dit artikel de mogelijkheid van het systeem onderzoekt om specifieke soorten waterverontreinigingen te detecteren, zou de technologie gemakkelijk kunnen worden toegepast om de aanwezigheid van waterverontreinigingen te monitoren.