Wetenschap
Wetenschappers ontwikkelen een betaalbare sensor voor loodverontreiniging
Ingenieurs van het MIT, de Nanytang Technological University en verschillende bedrijven hebben een compacte en goedkope technologie ontwikkeld voor het detecteren en meten van loodconcentraties in water, waardoor mogelijk een aanzienlijke vooruitgang kan worden geboekt bij de aanpak van dit hardnekkige mondiale gezondheidsprobleem.
De Wereldgezondheidsorganisatie schat dat 240 miljoen mensen wereldwijd worden blootgesteld aan drinkwater dat onveilige hoeveelheden giftig lood bevat, wat de hersenontwikkeling bij kinderen kan beïnvloeden, geboorteafwijkingen kan veroorzaken en een verscheidenheid aan neurologische, cardiale en andere schadelijke effecten kan veroorzaken. Alleen al in de Verenigde Staten krijgen naar schatting nog steeds 10 miljoen huishoudens drinkwater via loden leidingen.
"Het is een onopgehelderde volksgezondheidscrisis die jaarlijks tot meer dan 1 miljoen doden leidt", zegt Jia Xu Brian Sia, een postdoc van het MIT en senior auteur van het artikel waarin de nieuwe technologie wordt beschreven.
Maar het testen op lood in water vereist dure, omslachtige apparatuur en vergt doorgaans dagen om resultaten te verkrijgen. Of er worden eenvoudige teststrips gebruikt die eenvoudigweg een ja-of-nee-antwoord geven over de aanwezigheid van lood, maar geen informatie over de concentratie ervan. De huidige EPA-regelgeving vereist dat drinkwater niet meer dan 15 delen per miljard lood bevat, een concentratie die zo laag is dat deze moeilijk te detecteren is.
Het nieuwe systeem, dat binnen twee tot drie jaar klaar zou kunnen zijn voor commerciële inzet, zou met hoge nauwkeurigheid loodconcentraties van slechts 1 deel per miljard kunnen detecteren, met behulp van een eenvoudige, op een chip gebaseerde detector in een handapparaat. De technologie maakt vrijwel onmiddellijke kwantitatieve metingen mogelijk en vereist slechts een druppel water.
De bevindingen worden beschreven in een artikel dat vandaag verschijnt in het tijdschrift Nature Communications , door Sia, MIT-student en hoofdauteur Luigi Ranno, professor Juejun Hu en twaalf anderen aan het MIT en andere instellingen in de academische wereld en de industrie.
Het team ging op zoek naar een eenvoudige detectiemethode, gebaseerd op het gebruik van fotonische chips, die licht gebruiken om metingen uit te voeren. Het uitdagende deel was het vinden van een manier om bepaalde ringvormige moleculen, bekend als kroonethers, aan het fotonische chipoppervlak te hechten, die specifieke ionen zoals lood kunnen vangen.
Na jaren van inspanning konden ze die hechting bereiken via een chemisch proces dat bekend staat als Fischer-esterificatie. "Dat is een van de essentiële doorbraken die we in deze technologie hebben gerealiseerd", zegt Sia.
Bij het testen van de nieuwe chip hebben de onderzoekers aangetoond dat deze lood in water kan detecteren in concentraties van slechts één deel per miljard. Bij veel hogere concentraties, wat relevant kan zijn voor het testen van milieuverontreiniging zoals mijnafval, ligt de nauwkeurigheid binnen 4 procent.
Het apparaat werkt in water met variërende zuurgraad, variërend van pH-waarden van 6 tot 8, "waarmee de meeste milieumonsters worden gedekt", zegt Sia. Ze hebben het apparaat zowel met zeewater als kraanwater getest en de nauwkeurigheid van de metingen geverifieerd.
Om dergelijke nauwkeurigheidsniveaus te bereiken, is bij het huidige testen een apparaat nodig dat een inductieve gekoppelde plasmamassaspectrometer wordt genoemd. "Deze opstellingen kunnen groot en duur zijn", zegt Sia. De monsterverwerking kan dagen duren en vereist ervaren technisch personeel.
Hoewel het nieuwe chipsysteem dat ze hebben ontwikkeld 'het kernonderdeel van de innovatie' is, zegt Ranno, zal er verder werk nodig zijn om dit te ontwikkelen tot een geïntegreerd, draagbaar apparaat voor praktisch gebruik. "Om een echt product te maken, moet je het in een bruikbare vormfactor verpakken", legt hij uit. Hiervoor zou een kleine, op een chip gebaseerde laser moeten worden gekoppeld aan de fotonische chip.
"Het is een kwestie van mechanisch ontwerp, een beetje optisch ontwerp, wat chemie en het uitzoeken van de toeleveringsketen", zegt hij. Hoewel dat tijd kost, zegt hij, zijn de onderliggende concepten eenvoudig.
Het systeem kan worden aangepast om andere soortgelijke verontreinigingen in water te detecteren, waaronder cadmium, koper, lithium, barium, cesium en radium, zegt Ranno. Het apparaat zou kunnen worden gebruikt met eenvoudige cartridges die kunnen worden verwisseld om verschillende elementen te detecteren, elk met behulp van enigszins verschillende kroonethers die zich aan een specifiek ion kunnen binden.
"Er is een probleem dat mensen hun water niet voldoende meten, vooral in de ontwikkelingslanden", zegt Ranno. "En dat komt omdat ze het water moeten verzamelen, het monster moeten voorbereiden en het naar deze enorme instrumenten moeten brengen die extreem duur zijn."
In plaats daarvan zou "het hebben van dit draagbare apparaat, iets compacts dat zelfs ongetraind personeel gewoon naar de bron kan brengen voor monitoring ter plaatse, tegen lage kosten", regelmatige, voortdurende, wijdverbreide tests mogelijk maken.
Hu, de John F. Elliott hoogleraar Materials Science and Engineering, zegt:"Ik hoop dat dit snel zal worden geïmplementeerd, zodat we de menselijke samenleving ten goede kunnen komen. Dit is een goed voorbeeld van een technologie die voortkomt uit een laboratoriuminnovatie waarbij het kan zelfs een zeer tastbare impact hebben op de samenleving, wat natuurlijk zeer bevredigend is."
"Als deze studie kan worden uitgebreid tot de gelijktijdige detectie van meerdere metaalelementen, vooral de huidige radioactieve elementen, zou het potentieel ervan enorm zijn", zegt Hou Wang, universitair hoofddocent milieuwetenschappen en techniek aan de Hunan Universiteit in China, die dat niet was. geassocieerd met dit werk.
Wang voegt hieraan toe:“Dit onderzoek heeft een sensor ontwikkeld die in staat is om onmiddellijk de loodconcentratie in water te detecteren. Deze kan in realtime worden gebruikt om de loodverontreinigingsconcentratie te monitoren in afvalwater dat wordt geloosd door industrieën zoals de productie van batterijen en het smelten van lood, waardoor de oprichting van monitoringsystemen voor industrieel afvalwater. Ik denk dat de innovatieve aspecten en het ontwikkelingspotentieel van dit onderzoek zeer lovenswaardig zijn."
Wang Qian, een hoofdonderzoeker aan het Institute of Materials Research in Singapore, die ook niet bij dit werk betrokken was, zegt:"Het vermogen tot alomtegenwoordige, draagbare en kwantitatieve detectie van lood is een uitdaging gebleken, voornamelijk vanwege de kosten Dit werk demonstreert het potentieel om dit te doen in een sterk geïntegreerde vormfactor en is compatibel met grootschalige, goedkope productie."
Het team bestond uit onderzoekers van MIT, van de Nanyang Technological University en Temasek Laboratories in Singapore, van de Universiteit van Southampton in het Verenigd Koninkrijk, en van de bedrijven Fingate Technologies in Singapore en Vulcan Photonics, met het hoofdkantoor in Maleisië. Voor het werk werd gebruik gemaakt van faciliteiten van MIT.nano, het Harvard University Center for Nanoscale Systems, NTU's Center for Micro- and Nano-Electronics en het Nanyang Nanofabrication Center.