Team schafft Tief

5. Juni 2023

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von der University of Glasgow

Eine neue Form eines kostengünstigen 3D-gedruckten Wasserverschmutzungssensors könnte in der Welt der Umweltüberwachung für Furore sorgen, sagen die Entwickler.

Ein Forscherteam von Universitäten in Schottland, Portugal und Deutschland hat den Sensor entwickelt, der dabei helfen kann, das Vorhandensein sehr geringer Pestizidkonzentrationen in Wasserproben zu erkennen.

Ihre Arbeit, die in einem neuen Artikel beschrieben wird, der heute in der Zeitschrift Macromolecular Materials and Engineering veröffentlicht wurde, könnte die Wasserüberwachung schneller, einfacher und erschwinglicher machen.

Pestizide werden in der Landwirtschaft auf der ganzen Welt häufig eingesetzt, um Ernteausfälle zu verhindern. Sie müssen jedoch sorgfältig gehandhabt werden, da bereits kleine Mengen an Schadstoffen, die in den Boden, das Grundwasser oder das Meerwasser gelangen, schädlich für die Gesundheit von Mensch, Tier und Umwelt sein können.

Eine regelmäßige Umweltüberwachung ist für die Minimierung der Wasserverschmutzung von entscheidender Bedeutung und ermöglicht ein schnelles Handeln, wenn in Wasserproben das Vorhandensein von Pestiziden festgestellt wird. Derzeit werden Pestizidtests am häufigsten in Laborumgebungen durchgeführt, wobei Techniken wie Chromatographie und Massenspektrometrie zum Einsatz kommen.

Diese Tests liefern zwar zuverlässige und genaue Ergebnisse, sind jedoch zeitaufwändig und teuer in der Durchführung. Eine vielversprechende Alternative ist ein chemisches Analysetool namens Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS).

Wenn Licht auf Moleküle trifft, wird es je nach Molekülstruktur des Moleküls auf eine Weise gestreut, die deutlich unterschiedliche Frequenzen aufweist. Mit SERS können Wissenschaftler Restmengen von Molekülen in auf einer Metalloberfläche adsorbierten Testproben erkennen und identifizieren, indem sie den einzigartigen „Fingerabdruck“ analysieren, wie die Moleküle Licht streuen.

Der Effekt kann verstärkt werden, indem die Metalloberfläche so verbessert wird, dass sie die Moleküle adsorbieren kann, wodurch die Fähigkeit von Sensoren erhöht wird, niedrige Konzentrationen von Molekülen in Proben zu erkennen.

Das Forschungsteam machte sich daran, eine neue, tragbarere Testmethode zu entwickeln, die erschwingliche, 3D-gedruckte Materialien verwenden könnte, um Moleküle aus Wasserproben zu adsorbieren und vor Ort genaue erste Ergebnisse zu liefern.

Zu diesem Zweck untersuchten sie verschiedene Arten von Zellarchitekturen, die aus Mischungen von Polypropylen und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestehen. Die Architekturen wurden mithilfe der Schmelzfilamentherstellung hergestellt, einer gängigen Art des 3D-Drucks.

Die Oberfläche der Zellarchitekturen wurde mithilfe eines üblichen nasschemischen Ansatzes mit Silber- und Goldnanopartikeln beschichtet, um den oberflächenverstärkten Raman-Streuungsprozess zu ermöglichen.

Sie testeten die Fähigkeit verschiedener Architekturdesigns der 3D-gedruckten Zellmaterialien, Moleküle eines organischen Farbstoffs namens Methylenblau aufzunehmen und zu adsorbieren, bevor sie mit einem tragbaren Raman-Spektrometer analysiert wurden.

Das leistungsstärkste Material dieser ersten Tests – ein Gitterdesign (periodische Zellarchitektur) in Kombination mit Silbernanopartikeln – wurde dann den Teststreifen hinzugefügt. Proben von Meer- und Süßwasser, die mit geringen Mengen echter Pestizide namens Thiram und Paraquat versetzt waren, wurden zur SERS-Analyse auf die Teststreifen getropft.

Das Wasser wurde aus einer Mündung in Aveiro, Portugal, und aus Wasserhähnen in der gleichen Gegend entnommen – Standorte, die regelmäßigen Tests zur Überwachung der Wasserverschmutzung unter realen Bedingungen unterzogen werden.

Die Forscher fanden heraus, dass die Teststreifen in der Lage waren, Moleküle beider Pestizide in Konzentrationen von nur 1 Mikromol nachzuweisen – das entspricht einem Molekül Pestizid auf eine Million Moleküle Wasser.

Professor Shanmugam Kumar von der James Watt School of Engineering der Universität Glasgow ist einer der korrespondierenden Autoren des Papiers. Die Arbeit baut auf seiner Forschung zum Einsatz von 3D-Drucktechniken auf, um nanotechnologisch gestaltete Gitter mit einzigartigen Eigenschaften zu schaffen.

Er sagte: „SERS ist eine wertvolle Diagnosetechnik mit Anwendungen in einem breiten Spektrum verschiedener Bereiche. Das von uns entwickelte Sensorsubstratmaterial profitiert von einer optimalen Kombination aus der großen Oberfläche des auf Nanokohlenstoffbasis konstruierten Gitters und den bemerkenswerten optischen Eigenschaften von.“ die metallischen Nanopartikel.

„Die Wechselwirkung des starken lokalen elektromagnetischen Feldes in den metallischen Nanopartikeln und der chemischen Mechanismen des kohlenstoffhaltigen Materials schafft eine hochaktive Oberfläche für die SERS-Analyse.

„Die Ergebnisse dieser ersten Studie sind sehr ermutigend und zeigen, dass diese kostengünstigen Materialien zur Herstellung von Sensoren für den SERS-Nachweis von Pestiziden auch bei sehr geringen Konzentrationen verwendet werden können.“

Dr. Sara Fateixa vom CICECO Aveiro Institute of Materials der Universität Aveiro war Mitautorin des Artikels und entwarf die plasmonischen Nanopartikel, die die SERS-Technik ermöglichen. Sie sagte: „Während dieser Artikel das Potenzial des Systems untersucht, bestimmte Arten von Wasserschadstoffen zu erkennen, könnte die Technik leicht angepasst werden, um das Vorhandensein einer breiten Palette von Chemikalien in Proben zu überwachen.“

„In der Landwirtschaft zum Beispiel darf die Milch von Rindern, die sich von einer Krankheit erholen, die mit Antibiotika behandelt wurde, erst verkauft werden, nachdem das Medikament ihren Organismus verlassen hat Wieder auf den Markt kommende Produkte sind teuer, aber unsere Diagnosematerialien könnten so angepasst werden, dass sie zuverlässige Ergebnisse viel kostengünstiger liefern.

„Wir freuen uns darauf, dieses vielversprechende Sensormaterial für den Einsatz in SERS-Anwendungen weiterzuentwickeln.“

Mehr Informationen: Sara Fateixa et al., Additive Manufacturing-Enabled Architected Nanocomposite Lattices Coated with Plasmonic Nanoparticles for Water Pollutants Detection, Macromolecular Materials and Engineering (2023). DOI: 10.1002/mame.202300060

Zur Verfügung gestellt von der University of Glasgow