Wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een draagbaar apparaat ontwikkeld, geïnspireerd door het vermogen van het menselijk lichaam, om sporen van zware metalen in drinkwater in slechts vijf minuten te detecteren.

Het geheim ligt in een organische stof in de circulerende menselijke bloedbaan, een chelaatvormer genoemd, die zware metaalionen kunnen detecteren en eraan kunnen binden. Na het binden, het voorkomt dat de zware metaalionen interageren met andere moleculen en enzymen in het lichaam, en markeert het voor uitscheiding uit het lichaam.

Door een chelaatvormer te combineren met een optisch meetsysteem, Universitair hoofddocent Yong Ken-Tye en professor Tjin Swee Chuan van de School of Electrical and Electronic Engineering hebben een apparaat ontwikkeld dat snel testresultaten genereert zonder monsters terug te hoeven brengen, waardoor het apparaat geschikt is voor watertesten ter plaatse. Het kan ook worden geïntegreerd in huishoudelijke apparaten, zoals waterfiltratiesystemen.

De kwaliteit van het drinkwater wordt doorgaans gecontroleerd via laboratoriumtests, aangezien zware metalen niet kunnen worden geïdentificeerd aan de hand van kleur, smaak, of geur, tenzij aanwezig op hoge niveaus. laboratoriumtests, hoewel zeer nauwkeurig, nemen ten minste een dag in beslag.

Er zijn enkele draagbare apparaten op de markt die verontreinigingen met zware metalen snel kunnen detecteren, maar kan de extra stap van het mengen van het watermonster met een bufferoplossing vereisen voordat de test kan worden uitgevoerd. De sensor voor dergelijke kits moet ook worden gebruikt binnen 30 minuten nadat deze is blootgesteld aan lucht, omdat de effectiviteit van de sensor kan worden beïnvloed door lucht, warmte, of vochtigheid.

Andere mobiele alternatieven zijn onder meer die met metalen elektroden zoals kwik als detectiesonde, die zware metalen verontreinigingen terug in het milieu kunnen brengen, en teststrips die van kleur veranderen wanneer ze in contact komen met zware metalen, maar leiden tot resultaten die afhankelijk zijn van subjectieve metingen van de strip.

De NTU-uitvinding gerapporteerd in een paper gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS-sensoren werkt in het veld en vereist slechts een paar druppels van een watermonster in een wegwerpbare sensorcartridge om zware metalen te detecteren met een precisie van deeltjes per miljard.

Dit niveau van gevoeligheid is in overeenstemming met de veiligheidslimietvereisten in Singapore die binnen de normen van de Wereldgezondheidsorganisatie vallen. Bijvoorbeeld, het apparaat kan loodniveaus van 5 delen per miljard detecteren, die lager is dan de limiet van 10 delen per miljard die is vastgelegd in de Environmental Public Health Act in Singapore.

De gevoeligheid van de sensor in het NTU-handheld-apparaat wordt ook niet beperkt door blootstelling aan lucht, en blijft effectief tot een temperatuur van 40°C.

Assoc Prof Yong Ken-Tye, houder van de leerstoel van de NTU Provost in Electrical and Electronic Engineering, zei, "Ons apparaat is in staat om snel ter plaatse waterkwaliteitstests uit te voeren en kan tot 24 soorten metaalverontreinigingen detecteren, dat is het dubbele van de capaciteit van andere in de handel verkrijgbare watersensoren.

"Het gebruik van een chelaatvormer in het apparaat zorgt ervoor dat de sensor net zo gevoelig is voor het detecteren van zware metalen als het natuurlijke afweermechanisme van het lichaam tegen metaalintoxicatie."

Geïnspireerd door het metalen detectiemechanisme van het lichaam

Het apparaat bestaat uit een optische vezelsensor die is aangepast met een chelaatvormer, en een laser die er doorheen schijnt. Deze sensor is aangesloten op een verwerkingseenheid die de resultaten van de waterkwaliteitstest weergeeft (zie onderstaande afbeelding).

In een watermonster dat is verontreinigd met zware metalen, de metaalionen zullen binden aan het chelaatvormer op de optische vezelsensor. Dit veroorzaakt een verschuiving in het lichtspectrum, van waaruit de verwerkingseenheid van het apparaat vervolgens de concentratie zware metalen in het monster berekent. Het proces duurt ongeveer vijf minuten.

Professor Tjin Swee Chuan, die ook NTU's Associate Provost (Graduate Education &Lifelong Learning) is, zei, "Het apparaat kan eenvoudig worden geïntegreerd in elke bestaande in-line waterzuiveringsinstallatie. Hoewel ons product concurrerend genoeg is om de markt te penetreren, we werken nog steeds aan het verbeteren en uitbreiden van onze productlijn voor watersensoren. Bijvoorbeeld, we onderzoeken manieren om deze technologie te vertalen voor huishoudelijk gebruik, zoals in huishoudelijke waterfiltratiesystemen en elektrische waterkokers."

Na het indienen van twee patenten, het NTU-team heeft nu met succes een spin-off opgericht, Waterlaag. Het werkt nu samen met andere lokale bedrijven om meer gegevens te verzamelen via hun uitvinding om de nauwkeurigheid van het apparaat te verbeteren.

Waterply werkt ook samen met een staatsbedrijf in China om watersensoren van de volgende generatie te ontwikkelen die watervervuiling kunnen aanpakken.