De doelstellingen voor duurzame ontwikkeling van de Verenigde Naties, Nummer 6, richt zich op de behoefte aan toegang tot schoon water en sanitaire voorzieningen voor iedereen. In de wereldwijde situatie, een op de drie mensen heeft geen toegang tot veilig drinkwater, en twee op de vijf hebben geen basisvoorzieningen voor het wassen van de handen met water en zeep.

Waterkwaliteit heeft ook betrekking op opgeloste elementen. In het geval van fluoride, gecontroleerde hoeveelheden worden aanbevolen om de tanden te beschermen, bijv. opgenomen in tandpasta. Hogere niveaus kunnen fluorose veroorzaken, interfereren met de vorming van tandglazuur, correcte groei van de botten, en verlammende misvormingen van de wervelkolom en gewrichten veroorzaken. De incidentie van hogere concentraties fluoride in water is hoger in landelijke gebieden zonder toegang tot een geschikt waternetwerk.

Fluoride in waterbronnen heeft een geogene oorsprong in plaats van antropogeen - de fluorideconcentratie in water wordt bepaald door geologische formaties in rivierbeddingen. Dus, de fluorideverdeling kan in de getroffen regio's inhomogeen zijn, en waterbronnen met veilige en onveilige fluorideniveaus kunnen dicht bij elkaar bestaan. In dit geval, het fluorideprobleem zou kunnen worden opgelost door een lokale bevolking te voorzien van specifieke apparatuur om het fluoridegehalte in het water te detecteren en hen te helpen veilig water te consumeren.

De apparatuurkosten voor fluoridedetectie zijn matig tot hoog, en vereist training om effectief te kunnen worden gebruikt. Deze kosten zijn niet betaalbaar voor de bevolking op het platteland. Om deze redenen, de groep onder leiding van professor Mutsumi Kimura en dr. Eugenio Otal van de Shinshu University besloot betaalbare draagbare apparatuur te ontwikkelen die op een eenvoudige manier en tegen lage kosten fluoride kan detecteren. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in Chemie — een Europees tijdschrift . De kosten van de ontwikkelde tech-demo bedragen ongeveer US $ 23, maar deze prijs kan worden teruggebracht tot minder dan de helft als de productie wordt opgeschaald. De belangrijkste kosten zijn gerelateerd aan elektronica die voor veel bepalingen nuttig is.

Op lanthanide gebaseerde metaal-organische raamwerken (MOF's) bieden een goed platform voor fluoridedetectie vanwege hun hoge affiniteit voor fluoride en intense emissie in het zichtbare spectrum. De sterke affiniteit van lanthaniden door fluoriden transformeert de MOF's in de overeenkomstige fluoriden, het doven van de lanthanidefluorescentie. Met deze intensiteitsverandering kan het fluoridegehalte in drinkwater worden bepaald. Onderzoekers van de Shinshu University kozen katoen als substraat vanwege het hydrofiele karakter, waardoor een goede synergie met de poreuze MOF's mogelijk is en een goede controle over de hoeveelheid vloeistofmonster die in het apparaat wordt geïntroduceerd, de resultaten reproduceerbaar maken en de eerder gebruikte systemen vereenvoudigen.

Deze innovaties sluiten aan bij de eerdere ontwikkelingen van de groep, die zijn gepubliceerd in ACS-sensoren in januari van dit jaar. In dit vorige artikel, ze presenteren het elektronische platform op basis van een Arduino-microcontroller, die een smartphone gebruikt als stroombron en data-acquisitieplatform. Deze innovatie elimineert de batterij en het scherm, het verlagen van de kosten en het mogelijk maken om de fluoride-kwantificeringsinformatie rechtstreeks naar de smartphone over te dragen. De Arduino-code die in het apparaat wordt gebruikt, kan ook worden aangepast aan de vereisten van de lokale bevolking.

Om de informatie over te dragen, er werd een gebruiksvriendelijke grafische interface ontwikkeld (hello.fridie.de/zensorics-app/), het verzamelt de fluoride-kwantificeringsgegevens, de tijd, datum, en positie van de smartphone-gps en verzendt deze via e-mail, SMS, WhatsApp of een andere instant messaging-service die moet worden opgenomen in een veilig-waterkaart die moet worden gedeeld met de rest van de lokale bevolking.

Dit nieuwe systeem volbrengt de 4.0 Industrie-concepten, het is 3D-afdrukbaar, Arduino programmeerbaar, open source, en het apparaat kan lokaal worden geproduceerd en gedistribueerd. Al deze innovaties hebben geleid tot een goedkoop apparaat dat eenvoudig kan worden bediend door niet-opgeleide gebruikers.

De volgende stap is het implementeren van een MOF met nog betere prestaties. Het eigenlijke systeem maakt gebruik van een UV-LED voor excitatie van de lanthanide MOF en detecteert de groene emissie. Eerste auteur Eugenio Otal stelt, "We hebben een modificatie van deze MOF ontwikkeld die kan worden geëxciteerd met zichtbaar licht en het signaal zal worden gedetecteerd in het infrarood. Deze innovatie zou de kosten van de elektronica kunnen verlagen en goedkopere en gevoeligere detectoren kunnen gebruiken in het infraroodgebied van elektromagnetische spectra."

Hun uiteindelijke doel is om een ​​draagbaar apparaat voor waterkwaliteit te ontwikkelen met dezelfde concepten die ze hier gebruikten, door het modulair te maken volgens de vereisten van elke regio en hun bijdrage te leveren aan de doelstelling 6 van de VN-doelstellingen voor duurzame ontwikkeling:toegang tot water en sanitaire voorzieningen voor iedereen een realiteit maken, met een draagbaar en betaalbaar apparaat.