Ջրի որակի սենսոր

Շոտլանդիայի, Պորտուգալիայի և Գերմանիայի համալսարանների հետազոտողների թիմը մշակել է սենսոր, որը կարող է օգնել հայտնաբերել թունաքիմիկատների առկայությունը ջրի նմուշներում շատ ցածր կոնցենտրացիաներով։
Նրանց աշխատանքը, որը նկարագրված է «Պոլիմերային նյութեր և ճարտարագիտություն» ամսագրում այսօր հրապարակված նոր հոդվածում, կարող է ջրի մոնիթորինգը դարձնել ավելի արագ, հեշտ և էժան։
Թունաքիմիկատները լայնորեն օգտագործվում են գյուղատնտեսության մեջ ամբողջ աշխարհում՝ բերքի կորուստները կանխելու համար: Այնուամենայնիվ, պետք է զգույշ լինել, քանի որ հողի, ստորգետնյա ջրերի կամ ծովի ջրի մեջ նույնիսկ փոքր արտահոսքերը կարող են վնաս հասցնել մարդկանց, կենդանիների և շրջակա միջավայրի առողջությանը:

Ջրի աղտոտվածությունը նվազագույնի հասցնելու համար անհրաժեշտ է պարբերաբար շրջակա միջավայրի մոնիթորինգ, որպեսզի ջրի նմուշներում թունաքիմիկատներ հայտնաբերելու դեպքում կարողանան արագ գործողություններ ձեռնարկել: Ներկայումս թունաքիմիկատների փորձարկումը սովորաբար կատարվում է լաբորատոր պայմաններում՝ օգտագործելով այնպիսի մեթոդներ, ինչպիսիք են քրոմատոգրաֆիան և զանգվածային սպեկտրոմետրիան:
Թեև այս թեստերը տալիս են հուսալի և ճշգրիտ արդյունքներ, դրանք կարող են ժամանակատար և թանկ լինել իրականացնելու համար։ Մեկ խոստումնալից այլընտրանք է քիմիական վերլուծության գործիքը, որը կոչվում է մակերեսային ուժեղացված Ռամանի ցրում (SERS):
Երբ լույսը հարվածում է մոլեկուլին, այն ցրվում է տարբեր հաճախականություններով՝ կախված մոլեկուլի մոլեկուլային կառուցվածքից: SERS-ը թույլ է տալիս գիտնականներին հայտնաբերել և նույնականացնել մետաղական մակերեսին ադսորբված մնացորդային մոլեկուլների քանակը փորձարկման նմուշում՝ վերլուծելով մոլեկուլների կողմից ցրված լույսի եզակի «մատնահետքը»:
Այս ազդեցությունը կարող է ուժեղացվել՝ մետաղական մակերեսը այնպես փոփոխելով, որ այն կարողանա կլանել մոլեկուլներ, այդպիսով բարելավելով սենսորի ունակությունը՝ նմուշում մոլեկուլների ցածր կոնցենտրացիաները հայտնաբերելու համար։
Հետազոտական ​​խումբը նպատակադրվեց մշակել նոր, ավելի փոխադրելի փորձարկման մեթոդ, որը կարող էր մոլեկուլներ կլանել ջրի նմուշների մեջ՝ օգտագործելով առկա 3D տպագիր նյութերը և ապահովել ճշգրիտ նախնական արդյունքներ դաշտային պայմաններում։
Դրա համար նրանք ուսումնասիրել են պոլիպրոպիլենի և բազմաշերտ ածխածնային նանոխողովակների խառնուրդից պատրաստված բջջային կառուցվածքների մի քանի տարբեր տեսակներ։ Շենքերը ստեղծվել են հալված թելիկների միջոցով, որոնք 3D տպագրության տարածված տեսակ են։
Ավանդական խոնավ քիմիայի տեխնիկաների կիրառմամբ, արծաթի և ոսկու նանոմասնիկները նստեցվում են բջջային կառուցվածքի մակերեսին՝ մակերեսային ուժեղացված Ռամանի ցրման գործընթացը հնարավոր դարձնելու համար։
Նրանք փորձարկեցին մի քանի տարբեր 3D տպիչով տպված բջջային նյութական կառուցվածքների՝ մեթիլեն կապույտ օրգանական ներկանյութի մոլեկուլները կլանելու և ադսորբելու ունակությունը, ապա վերլուծեցին դրանք՝ օգտագործելով դյուրակիր Ռամանի սպեկտրոմետր։
Սկզբնական փորձարկումներում լավագույն արդյունք ցուցաբերած նյութերը՝ արծաթե նանոմասնիկներին կապված ցանցային կառուցվածքները (պարբերական բջջային կառուցվածքներ), այնուհետև ավելացվեցին փորձարկման շերտին: Ծովի և քաղցրահամ ջրի նմուշներին ավելացվեցին իրական միջատասպանների փոքր քանակություններ (սիրամ և պարակվատ) և տեղադրվեցին փորձարկման շերտերի վրա՝ SERS վերլուծության համար:
Ջուրը վերցվում է Պորտուգալիայի Ավեյրու քաղաքում գտնվող գետի գետաբերանից և նույն տարածքում գտնվող ծորակներից, որոնք պարբերաբար ստուգվում են ջրի աղտոտվածությունը արդյունավետորեն վերահսկելու համար։
Հետազոտողները պարզել են, որ շերտերը կարողացել են հայտնաբերել երկու թունաքիմիկատների մոլեկուլ՝ ընդամենը 1 միկրոմոլ կոնցենտրացիայով, որը համարժեք է մեկ թունաքիմիկատների մոլեկուլի մեկ միլիոն ջրի մոլեկուլի հաշվով։
Հոդվածի հեղինակներից մեկը Գլազգոյի համալսարանի Ջեյմս Ուոթի անվան ճարտարագիտական դպրոցի պրոֆեսոր Շանմուգամ Կումարն է։ Այս աշխատանքը հիմնված է նրա հետազոտության վրա՝ 3D տպագրության տեխնոլոգիայի կիրառման վերաբերյալ՝ եզակի հատկություններով նանոինժեներական կառուցվածքային ցանցեր ստեղծելու համար։
«Այս նախնական ուսումնասիրության արդյունքները շատ խրախուսելի են և ցույց են տալիս, որ այս էժան նյութերը կարող են օգտագործվել SERS-ի համար սենսորներ արտադրելու համար՝ թունաքիմիկատներ հայտնաբերելու համար, նույնիսկ շատ ցածր կոնցենտրացիաներում»։
Ավեյրոյի համալսարանի CICECO Ավեյրոյի նյութերի ինստիտուտի դոկտոր Սառա Ֆատեյշան, որը հոդվածի համահեղինակ է, մշակել է պլազմային նանոմասնիկներ, որոնք աջակցում են SERS տեխնոլոգիային: Չնայած այս հոդվածը ուսումնասիրում է համակարգի կարողությունը հայտնաբերելու ջրի աղտոտիչների որոշակի տեսակներ, տեխնոլոգիան կարող է հեշտությամբ կիրառվել ջրի աղտոտիչների առկայությունը վերահսկելու համար: