חיישן איכות מים

צוות חוקרים מאוניברסיטאות בסקוטלנד, פורטוגל וגרמניה פיתח חיישן שיכול לסייע בזיהוי נוכחות של חומרי הדברה בריכוזים נמוכים מאוד בדגימות מים.
עבודתם, המתוארת במאמר חדש שפורסם היום בכתב העת Polymer Materials and Engineering, עשויה להפוך את ניטור המים למהיר, קל וזול יותר.
חומרי הדברה נמצאים בשימוש נרחב בחקלאות ברחבי העולם כדי למנוע אובדן יבולים. עם זאת, יש לנקוט משנה זהירות, שכן אפילו דליפות קטנות לקרקע, מי תהום או מי ים עלולות לגרום נזק לבריאות האדם, בעלי החיים והסביבה.

ניטור סביבתי קבוע חיוני כדי למזער זיהום מים, כך שניתן יהיה לנקוט פעולה מהירה כאשר מתגלים חומרי הדברה בדגימות מים. כיום, בדיקות חומרי הדברה נעשות בדרך כלל בתנאי מעבדה באמצעות שיטות כמו כרומטוגרפיה וספקטרומטריית מסות.
בעוד שבדיקות אלו מספקות תוצאות אמינות ומדויקות, הן עלולות להיות גוזלות זמן ויקרות לביצוע. חלופה מבטיחה אחת היא כלי ניתוח כימי הנקרא פיזור ראמאן משופר על פני השטח (SERS).
כאשר אור פוגע במולקולה, הוא מתפזר בתדרים שונים בהתאם למבנה המולקולרי של המולקולה. טכנולוגיית SERS מאפשרת למדענים לזהות ולזהות את כמות המולקולות השיוריות בדגימת בדיקה שנספגו על פני מתכת, על ידי ניתוח "טביעת האצבע" הייחודית של האור המפוזר על ידי המולקולות.
ניתן לשפר אפקט זה על ידי שינוי פני המתכת כך שיוכלו לספוג מולקולות, ובכך לשפר את יכולתו של החיישן לזהות ריכוזים נמוכים של מולקולות בדגימה.
צוות המחקר יצא לפתח שיטת בדיקה חדשה וניידת יותר, שתוכל לספוג מולקולות לדגימות מים באמצעות חומרים מודפסים תלת-ממדיים זמינים ולספק תוצאות ראשוניות מדויקות בשטח.
לשם כך, הם חקרו מספר סוגים שונים של מבני תאים העשויים מתערובת של פוליפרופילן וננו-צינוריות פחמן רב-קירות. המבנים נוצרו באמצעות חוטים מותכים, סוג נפוץ של הדפסה תלת-ממדית.
באמצעות טכניקות כימיה רטובה מסורתיות, חלקיקי ננו של כסף וזהב מופקדים על פני מבנה התא כדי לאפשר תהליך פיזור ראמאן משופר על פני השטח.
הם בדקו את היכולת של מספר מבני חומר תאים שונים המודפסים בתלת-ממד לספוג ולספוג מולקולות של הצבע האורגני מתילן כחול, ולאחר מכן ניתחו אותן באמצעות ספקטרומטר ראמאן נייד.
החומרים שהציגו את הביצועים הטובים ביותר בבדיקות הראשוניות - עיצובי סריג (מבנים תאיים מחזוריים) הקשורים לננו-חלקיקי כסף - נוספו לאחר מכן לרצועת הבדיקה. כמויות קטנות של קוטלי חרקים אמיתיים (סיראם ופרקוואט) נוספו לדגימות מי ים ומים מתוקים והונחו על רצועות בדיקה לצורך ניתוח SERS.
המים נלקחים משפך הנהר באוויירו, פורטוגל, ומברזים באותו אזור, אשר נבדקים באופן קבוע כדי לנטר ביעילות את זיהום המים.
החוקרים גילו כי הרצועות הצליחו לזהות שתי מולקולות חומרי הדברה בריכוזים נמוכים עד כדי מיקרומול אחד, השווה ערך למולקולת חומרי הדברה אחת לכל מיליון מולקולות מים.
פרופסור שאנמוגם קומאר, מבית הספר להנדסה ע"ש ג'יימס וואט באוניברסיטת גלזגו, הוא אחד ממחברי המאמר. עבודה זו מתבססת על מחקרו על השימוש בטכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית ליצירת סריגים מבניים מהונדסים ננומטרית בעלי תכונות ייחודיות.
"תוצאות המחקר המקדים הזה מעודדות מאוד ומראות כי ניתן להשתמש בחומרים זולים אלה לייצור חיישנים עבור SERS לגילוי חומרי הדברה, אפילו בריכוזים נמוכים מאוד."
ד"ר שרה פאטיישה ממכון החומרים CICECO באביירו באוניברסיטת אביירו, אחת ממחברות המאמר, פיתחה ננו-חלקיקי פלזמה התומכים בטכנולוגיית SERS. בעוד שמאמר זה בוחן את יכולתה של המערכת לזהות סוגים ספציפיים של מזהמי מים, ניתן ליישם את הטכנולוגיה בקלות כדי לנטר את נוכחותם של מזהמי מים.