Zware metalen (HM's) zijn metalen met hoge dichtheden en atoomgewichten. Ze zijn afkomstig van geologische processen of menselijke activiteiten, waaronder mijnbouw, industriële productie en petrochemische fabrieken, en zijn giftig voor mens en dier en worden beschouwd als veelvoorkomende vervuilende stoffen in het milieu.

HM's kunnen het menselijk lichaam binnendringen door de inname van vervuild voedsel of water, adsorptie via de huid of het inademen van vervuilde lucht. Het is bekend dat ze bij mensen ernstige gezondheidsproblemen veroorzaken, zoals nierbeschadiging, hoge bloeddruk, schade aan het zenuwstelsel, vruchtbaarheidsstoornissen en zelfs de dood.

Daarom zijn nauwkeurige en compacte HM-detectietechnologieën essentieel om hun concentraties in het milieu te beoordelen en te screenen op gezondheidsproblemen die voortvloeien uit de vervuiling ervan. Met het oog hierop is er de afgelopen jaren sprake geweest van een toename in het gebruik van elektrochemische detectietechnieken voor het ter plaatse screenen van HM-verontreinigende stoffen.

In een nieuwe studie heeft een team van onderzoekers uit Korea, onder leiding van professor Seung-Cheol Chang van de afdeling Optica en Mechatronica Engineering van het College of Nanoscience and Nanotechnology van de Pusan ​​National University, de recente ontwikkelingen op het gebied van elektrochemische sensoren voor zware toepassingen uitgebreid beoordeeld. metaaldetectie.

"Conventionele analytische technieken voor HM-detectie zijn moeilijk te gebruiken voor analyse op locatie. Er is daarom een ​​dringende behoefte aan draagbare elektrochemische sensoren die gemakkelijk te gebruiken, kosteneffectief en geschikt zijn voor snelle detectie ter plaatse", legt hij uit. Prof. Chang.

Eerste auteur Dr. Ramalingam Manikandan van het laboratorium van Prof. Chang heeft aanzienlijk bijgedragen met veel praktisch werk voor deze studie, die werd gepubliceerd in het tijdschrift Coördinatie Chemistry Reviews .

In deze review richtte het team zich uitsluitend op geminiaturiseerde elektrochemische sensoren die geschikt zijn voor detectie ter plaatse van HM-verontreinigende stoffen. Ze onderzochten verschillende sensorvarianten, zoals gezeefdrukte elektroden (SPE's), op papier gebaseerde elektroden en met nanomateriaal gecoate sensoren gemaakt van koolstofnanocomposieten, metalen nanodeeltjes en nanocomposieten van metaalverbindingen.

Uit hun analyse bleek dat geminiaturiseerde elektrochemische sensoren op basis van SPE's en op papier gebaseerde elektroden goedkope en tijdefficiënte analyses bieden, terwijl ze ook de benodigde hoeveelheid monster en ondersteunende elektrolyten verminderen.

Deze sensoren pakken ook effectief de beperkingen aan van conventionele laboratoriumgebaseerde methoden. Bovendien vertonen op nanomaterialen gebaseerde sensoren een hoge specificiteit en gevoeligheid, waardoor de detectie van ultrakleine hoeveelheden HM's met hoge nauwkeurigheid mogelijk is in een grote verscheidenheid aan omgevingsomstandigheden.

Ondanks deze vooruitgang erkende het team echter de bestaande beperkingen van elektrochemische sensoren die nog moeten worden aangepakt. De huidige elektrochemische detectiebenaderingen lijden onder een slechte selectiviteit, onvoldoende detailniveau en interferentie door vreemde soorten die schadelijke effecten kunnen hebben tijdens analyses ter plaatse.

Bovendien dragen aanvullende ontmoetingen met soorten opgeloste zuurstof, hoewel noodzakelijk voor het analyseren van de geleidbaarheid en pH, in de loop van de tijd bij aan een afname van het detectievermogen van deze sensoren.

De onderzoekers benadrukten ook de behoefte aan draagbare lab-on-a-chip-benaderingen en grootschalige productie van wegwerpbare, flexibele en draagbare elektrochemische sensoren. Bovendien zijn innovatieve elektrochemische detectiestrategieën vereist voor HM-detectie in menselijke biovloeistofmonsters, zoals speeksel, bloed en urine.

"Een van de moeilijkste taken is de commercialisering van de geavanceerde en systematische ideeën die door de academische wereld, de farmaceutische industrie en overheidsinstanties naar voren zijn gebracht, in combinatie met de juiste validatietechnieken", zegt prof. Chang, terwijl hij spreekt over de toekomst van onderzoek naar elektrochemische sensoren. voor HM's.

Niettemin heeft het team er vertrouwen in dat lopend onderzoek op het gebied van elektronica, nanotechnologie en materiaaltechnologie een aantal van de bestaande problemen kan overwinnen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een snellere, betrouwbaardere en nauwkeurigere detectie van HM's ter plaatse, voor een veiliger en gezonder milieu.

Meer informatie: Ramalingam Manikandan et al, Recente ontwikkelingen in geminiaturiseerde elektrochemische analysatoren voor detectie van gevaarlijke zware metalen in omgevingsmonsters, Coördinatiechemierecensies (2023). DOI:10.1016/j.ccr.2023.215487

Aangeboden door Pusan ​​Nationale Universiteit