Een team van onderzoekers van universiteiten in Schotland, Portugal en Duitsland heeft een sensor ontwikkeld waarmee de aanwezigheid van pesticiden in zeer lage concentraties in watermonsters kan worden gedetecteerd.
Hun werk, beschreven in een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in het tijdschrift Polymer Materials and Engineering, zou watermonitoring sneller, eenvoudiger en goedkoper kunnen maken.
Bestrijdingsmiddelen worden wereldwijd op grote schaal gebruikt in de landbouw om oogstverliezen te voorkomen. Voorzichtigheid is echter geboden, aangezien zelfs kleine lekkages in de bodem, het grondwater of het zeewater schadelijk kunnen zijn voor de gezondheid van mens, dier en milieu.
Regelmatige milieumonitoring is essentieel om waterverontreiniging te minimaliseren, zodat snel actie kan worden ondernomen wanneer pesticiden in watermonsters worden aangetroffen. Momenteel worden pesticiden meestal getest onder laboratoriumomstandigheden met behulp van methoden zoals chromatografie en massaspectrometrie.
Hoewel deze tests betrouwbare en nauwkeurige resultaten opleveren, kunnen ze tijdrovend en duur zijn om uit te voeren. Een veelbelovend alternatief is een chemische analysetool genaamd Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS).
Wanneer licht een molecuul raakt, verstrooit het zich met verschillende frequenties, afhankelijk van de moleculaire structuur ervan. Met SERS kunnen wetenschappers de hoeveelheid resterende moleculen in een testmonster dat op een metaaloppervlak is geadsorbeerd, detecteren en identificeren door de unieke 'vingerafdruk' van het door de moleculen verstrooide licht te analyseren.
Dit effect kan worden versterkt door het metaaloppervlak zodanig aan te passen dat het moleculen kan adsorberen. Hierdoor kan de sensor lagere concentraties moleculen in het monster beter detecteren.
Het onderzoeksteam wilde een nieuwe, meer draagbare testmethode ontwikkelen die moleculen in watermonsters kon adsorberen met behulp van beschikbare 3D-geprinte materialen en die nauwkeurige eerste resultaten in het veld kon opleveren.
Om dit te doen, bestudeerden ze verschillende soorten celstructuren, gemaakt van een mengsel van polypropyleen en koolstofnanobuisjes met meerdere wanden. De gebouwen werden gemaakt met behulp van gesmolten filamenten, een veelgebruikte vorm van 3D-printen.
Met behulp van traditionele natte chemische 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 te adsorberen, en analyseerden deze vervolgens met een draagbare Ramanspectrometer.
De materialen die het beste presteerden in de eerste tests – roosterpatronen (periodieke celstructuren) gebonden aan zilveren nanodeeltjes – 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 komt uit de monding van de rivier in Aveiro, Portugal, en uit kranen in dezelfde omgeving. Deze worden regelmatig getest om watervervuiling effectief te kunnen controleren.
De onderzoekers ontdekten dat de strips twee pesticidemoleculen konden 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 om nano-gemanipuleerde structurele roosters met unieke eigenschappen te creëren.
“De resultaten van deze voorlopige studie zijn zeer bemoedigend en laten zien dat deze goedkope materialen gebruikt kunnen worden om sensoren te produceren voor SERS om pesticiden te detecteren, zelfs in zeer lage concentraties.”
Dr. Sara Fateixa van het CICECO Aveiro Materials Institute aan de Universiteit van Aveiro, medeauteur van het artikel, heeft plasmananodeeltjes ontwikkeld die SERS-technologie ondersteunen. Hoewel dit artikel de mogelijkheid van het systeem om specifieke soorten waterverontreinigingen te detecteren onderzoekt, kan de technologie eenvoudig worden toegepast om de aanwezigheid van waterverontreinigingen te monitoren.
Plaatsingstijd: 24-01-2024