Vannkvalitetssensor

Et team av forskere fra universiteter i Skottland, Portugal og Tyskland har utviklet en sensor som kan bidra til å oppdage tilstedeværelsen av plantevernmidler i svært lave konsentrasjoner i vannprøver.
Arbeidet deres, beskrevet i en ny artikkel publisert i dag i tidsskriftet Polymer Materials and Engineering, kan gjøre vannovervåking raskere, enklere og billigere.
Plantevernmidler brukes mye i landbruket over hele verden for å forhindre avlingstap. Imidlertid må man være forsiktig, da selv små lekkasjer i jord, grunnvann eller sjøvann kan forårsake skade på menneskers, dyrs og miljøets helse.

Regelmessig miljøovervåking er viktig for å minimere vannforurensning, slik at det kan iverksettes raske tiltak når plantevernmidler oppdages i vannprøver. For tiden utføres plantevernmiddeltesting vanligvis under laboratorieforhold ved hjelp av metoder som kromatografi og massespektrometri.
Selv om disse testene gir pålitelige og nøyaktige resultater, kan de være tidkrevende og dyre å utføre. Et lovende alternativ er et kjemisk analyseverktøy kalt overflateforsterket Raman-spredning (SERS).
Når lys treffer et molekyl, spres det med forskjellige frekvenser avhengig av molekylets molekylstruktur. SERS lar forskere oppdage og identifisere mengden restmolekyler i en testprøve som er adsorbert på en metalloverflate ved å analysere det unike «fingeravtrykket» til lys spredt av molekylene.
Denne effekten kan forsterkes ved å modifisere metalloverflaten slik at den kan adsorbere molekyler, og dermed forbedre sensorens evne til å oppdage lave konsentrasjoner av molekyler i prøven.
Forskningsteamet satte seg fore å utvikle en ny, mer portabel testmetode som kunne adsorbere molekyler i vannprøver ved hjelp av tilgjengelige 3D-printede materialer og gi nøyaktige innledende resultater i felten.
For å gjøre dette studerte de flere forskjellige typer cellestrukturer laget av en blanding av polypropylen og flerveggede karbonnanorør. Bygningene ble laget ved hjelp av smeltede filamenter, en vanlig type 3D-printing.
Ved hjelp av tradisjonelle våtkjemiteknikker avsettes sølv- og gullnanopartikler på overflaten av cellestrukturen for å muliggjøre en overflateforsterket Ramanspredningsprosess.
De testet evnen til flere forskjellige 3D-printede cellematerialstrukturer til å absorbere og adsorbere molekyler av det organiske fargestoffet metylenblått, og analyserte dem deretter ved hjelp av et bærbart Raman-spektrometer.
Materialene som presterte best i de innledende testene – gitterkonstruksjoner (periodiske cellestrukturer) bundet til sølvnanopartikler – ble deretter tilsatt teststripen. Små mengder ekte insektmidler (Siram og paraquat) ble tilsatt sjøvanns- og ferskvannsprøver og plassert på teststrimler for SERS-analyse.
Vannet tas fra elvemunningen i Aveiro i Portugal og fra kraner i samme område, som regelmessig testes for å effektivt overvåke vannforurensning.
Forskerne fant ut at stripene var i stand til å oppdage to plantevernmiddelmolekyler i konsentrasjoner så lave som 1 mikromol, noe som tilsvarer ett plantevernmiddelmolekyl per million vannmolekyler.
Professor Shanmugam Kumar, fra James Watt School of Engineering ved University of Glasgow, er en av forfatterne av artikkelen. Dette arbeidet bygger på hans forskning på bruk av 3D-printingsteknologi for å lage nanokonstruerte strukturelle gittere med unike egenskaper.
«Resultatene fra denne forstudien er svært oppmuntrende og viser at disse rimelige materialene kan brukes til å produsere sensorer for SERS for å oppdage plantevernmidler, selv ved svært lave konsentrasjoner.»
Dr. Sara Fateixa fra CICECO Aveiro Materials Institute ved Universitetet i Aveiro, medforfatter av artikkelen, har utviklet plasma-nanopartikler som støtter SERS-teknologi. Selv om denne artikkelen undersøker systemets evne til å oppdage spesifikke typer vannforurensninger, kan teknologien enkelt brukes til å overvåke tilstedeværelsen av vannforurensninger.