Ingenieure am MIT, der Nanyang Technological University und mehreren Unternehmen haben eine kompakte und kostengünstige Technologie zur Erkennung und Messung von Bleikonzentrationen im Wasser entwickelt, die möglicherweise erhebliche Fortschritte bei der Lösung dieses anhaltenden globalen Gesundheitsproblems ermöglichen könnte.

Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass 240 Millionen Menschen weltweit Trinkwasser ausgesetzt sind, das unsichere Mengen an giftigem Blei enthält, was die Gehirnentwicklung bei Kindern beeinträchtigen, Geburtsfehler verursachen und verschiedene neurologische, kardiale und andere schädliche Auswirkungen haben kann. Allein in den Vereinigten Staaten wird geschätzt, dass 10 Millionen Haushalte immer noch Trinkwasser durch Bleirohre erhalten.

„Dies ist eine ungelöste Krise im Bereich der öffentlichen Gesundheit, die jährlich zu mehr als einer Million Todesfällen führt“, sagt Jia Xu Brian Sia, Postdoktorand am MIT und Hauptautor der Arbeit, die die neue Technologie beschreibt.

Das Testen auf Blei im Wasser erfordert jedoch teure, sperrige Ausrüstung und dauert in der Regel mehrere Tage, um Ergebnisse zu erzielen. Alternativ werden einfache Teststreifen verwendet, die nur das Vorhandensein von Blei erkennen, ohne Informationen über dessen Konzentration zu liefern. Die aktuellen EPA-Vorschriften verlangen, dass Trinkwasser nicht mehr als 15 Teile pro Milliarde Blei enthält, eine Konzentration, die schwer zu erkennen ist.

Das neue System, das innerhalb von zwei bis drei Jahren für die kommerzielle Anwendung bereit sein könnte, könnte Bleikonzentrationen von bis zu 1 Teil pro Milliarde mit hoher Genauigkeit erkennen, indem es einen einfachen Detektorchip verwendet, der in einem tragbaren Gerät untergebracht ist. Die Technologie liefert nahezu sofortige quantitative Messungen und erfordert nur einen Tropfen Wasser.

Die Ergebnisse sind in einer heute in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Arbeit beschrieben, die von Sia, dem MIT-Studenten und Hauptautor Luigi Ranno, Professor Juejun Hu und 12 weiteren am MIT und anderen Institutionen in der akademischen und industriellen Gemeinschaft verfasst wurde.

Das Team versuchte, eine einfache Erkennungsmethode zu finden, die auf der Verwendung von photonischen Chips basiert, die Licht zur Durchführung von Messungen verwenden. Die Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, bestimmte ringförmige Moleküle, die als Kronenether bekannt sind, auf der Oberfläche des photonischen Chips zu befestigen, die spezifische Ionen wie Blei einfangen können. Nach jahrelanger Anstrengung gelang es ihnen, dies durch einen chemischen Prozess namens Fischer-Veresterung zu erreichen. „Dies ist einer der entscheidenden Durchbrüche, die wir bei dieser Technologie erzielt haben“, sagt Sia.

Beim Testen des neuen Chips zeigten die Forscher, dass er Blei im Wasser in Konzentrationen von nur einem Teil pro Milliarde erkennen kann. Bei viel höheren Konzentrationen, die für die Untersuchung von Umweltverschmutzung wie Bergbauabfällen relevant sein können, liegt die Genauigkeit bei 4 Prozent.

Das Gerät funktioniert in Wasser mit unterschiedlichen Säuregraden, in einem pH-Bereich von 6 bis 8, „was die meisten Umweltproben abdeckt“, sagt Sia. Sie testeten das Gerät sowohl mit Meerwasser als auch mit Leitungswasser und bestätigten die Genauigkeit der Messungen.

Um eine solche Genauigkeit zu erreichen, erfordern aktuelle Tests ein Gerät namens induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometer. „Diese Geräte können groß und teuer sein“, sagt Sia. Die Probenbearbeitung kann Tage dauern und erfordert erfahrenes technisches Personal.

Während der neue Chip, den sie entwickelt haben, „der Kern der Innovation ist“, sagt Ranno, wird es notwendig sein, weiter daran zu arbeiten, um ihn in ein integriertes, tragbares Gerät für den praktischen Einsatz zu verwandeln. „Um ein tatsächliches Produkt zu entwickeln, muss man es in eine benutzerfreundliche Form verpacken“, erklärt er. Dies würde beinhalten, einen kleinen Chip-Laser mit dem photonischen Chip zu verbinden. „Es geht um mechanisches Design, einige optische Designs, Chemie und die Suche nach einer Lieferkette“, sagt er. Obwohl dies Zeit in Anspruch nimmt, sagt er, sind die grundlegenden Konzepte einfach.

Das System kann angepasst werden, um andere ähnliche Verunreinigungen im Wasser zu erkennen, einschließlich Kadmium, Kupfer, Lithium, Barium, Cäsium und Radium, sagt Ranno. Das Gerät könnte mit einfachen austauschbaren Kartuschen verwendet werden, um verschiedene Elemente zu erkennen, wobei jeder eine leicht unterschiedliche Kronenether verwendet, die ein spezifisches Ion binden können.

„Das Problem ist, dass die Menschen ihr Wasser nicht oft genug testen, insbesondere in Entwicklungsländern“, sagt Ranno. „Und das liegt daran, dass sie Wasser sammeln, eine Probe vorbereiten und zu diesen riesigen, extrem teuren Instrumenten bringen müssen.“ Stattdessen könnte „dieses tragbare Gerät, etwas Kompaktes, das sogar von ungelerntem Personal zur Quelle für Feldüberwachungen gebracht werden kann, zu geringen Kosten“, regelmäßige, kontinuierliche breit angelegte Tests ermöglichen.

Hu, der John F. Elliott-Professor für Materialwissenschaften und -technik, sagt: „Ich hoffe, dass dies schnell umgesetzt wird, damit wir der menschlichen Gesellschaft dienen können. Dies ist ein gutes Beispiel für Technologie, die aus einer Laborinnovation stammt, bei der sie tatsächlich einen sehr greifbaren Einfluss auf die Gesellschaft haben kann, was natürlich sehr erfüllend ist.“

„Wenn diese Forschung auf die gleichzeitige Erkennung mehrerer Metallelemente, insbesondere derzeit besorgniserregender radioaktiver Elemente, ausgeweitet werden kann, wäre ihr Potenzial enorm“, sagt Hou Wang, außerordentlicher Professor für Umweltwissenschaften und -technik an der Hunan-Universität in China, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war.

Wang fügt hinzu: „Diese Forschung hat einen Sensor entwickelt, der in der Lage ist, Bleikonzentrationen im Wasser sofort zu erkennen. Dies kann in Echtzeit verwendet werden, um die Bleiverschmutzung in Abwässern, die von Industrien wie Batterieherstellung und Bleischmelzen freigesetzt werden, zu überwachen, wodurch die Einrichtung eines Systems zur Überwachung von Industrieabwasser erleichtert wird. Ich denke, die innovativen Aspekte und das Entwicklungspotential dieser Forschung sind sehr lobenswert.“

Das Team umfasste Forscher des MIT, der Nanyang Technological University und der Temasek Laboratories in Singapur, der University of Southampton im Vereinigten Königreich sowie der Unternehmen Fingate Technologies in Singapur und Vulcan Photonics mit Sitz in Malaysia. Die Arbeit nutzte Einrichtungen am MIT.nano, dem Harvard University Center for Nanoscale Systems, dem NTU’s Center for Micro- and Nano-Electronics und dem Nanyang Nanofabrication Center.

Das Forscherteam konnte verschiedene Disziplinen bei der Entwicklung dieser Technologie integrieren, indem es Photonik, Chemie und Ingenieurwesen kombinierte, um ein System zu schaffen, das erschwinglich und einfach zu bedienen ist. Die wichtigste Herausforderung bestand darin, photonische Chips zu entwickeln, die unter realen Bedingungen zuverlässig Blei messen können, was erhebliche Innovationen in den Materialien und Prozessen erforderte.

Die in dem System verwendeten Kronenether sind entscheidend für das Einfangen von Bleii Ionen. Diese Moleküle haben eine spezifische ringförmige Struktur, die eine effiziente Bindung an Blei ermöglicht, und der Fischer-Veresterungsprozess ermöglicht ihre stabile Befestigung an der Chipoberfläche. Dieser Ansatz ermöglicht eine hohe Spezifität und Empfindlichkeit des Systems, was entscheidend für die Erkennung niedriger Bleikonzentrationen im Wasser ist.

Tests haben gezeigt, dass das Gerät unter verschiedenen Bedingungen arbeiten kann, einschließlich unterschiedlicher Säuregrade und des Vorhandenseins anderer Verunreinigungen. Dies ist wichtig für Anwendungen in verschiedenen Umgebungen, von Trinkwasser bis zu industriellem Abwasser. Darüber hinaus kann das System angepasst werden, um andere giftige Metalle zu erkennen, was es äußerst vielseitig macht.

Einer der wichtigsten Aspekte dieser Technologie ist ihre Erschwinglichkeit und Benutzerfreundlichkeit. Traditionelle Methoden zur Bleierkennung erfordern teure und komplexe Ausrüstung sowie geschultes Personal, was ihre Anwendung insbesondere in weniger entwickelten Gebieten einschränkt. Das neue System ermöglicht hingegen schnelle und genaue Messungen bei minimalen Kosten und technischer Komplexität.

Es wird erwartet, dass die kommerzielle Anwendung dieser Technologie die Fähigkeit zur Überwachung und Verwaltung der Wasserverschmutzung erheblich verbessern wird. Die Integration in tragbare Geräte ermöglicht häufige und weitverbreitete Tests, was für die frühzeitige Erkennung und Prävention von Gesundheitsrisiken im Zusammenhang mit Bleiexposition entscheidend ist.

Die Entwicklung dieser Technologie eröffnet auch Möglichkeiten für weitere Forschung und Innovationen. Es besteht das Potenzial, die Funktionalität des Geräts auf die Erkennung eines breiten Spektrums von Schadstoffen, einschließlich radioaktiver Elemente, auszudehnen, was erhebliche Auswirkungen auf industrielle und Umweltstandards hätte. Die Verwendung von photonischen Chips für verschiedene analytische Anwendungen stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Sensortechnologie dar.

Diese Forschung zeigt auch den Wert eines interdisziplinären Ansatzes bei der Entwicklung neuer Technologien. Die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Institutionen und Experten ermöglichte die Lösung komplexer Probleme und die Entwicklung innovativer Lösungen mit breiter Anwendung. Durch die Verbindung theoretischer Erkenntnisse mit praktischen Anwendungen konnte das Team ein System schaffen, das nicht nur das wissenschaftliche Verständnis verbessert, sondern auch reale gesellschaftliche Vorteile bietet.

Die Entwicklung dieser Technologie stellt einen wichtigen Schritt im Kampf gegen die Bleiverschmutzung und andere giftige Metalle im Wasser dar. Ihre Einfachheit, Erschwinglichkeit und Vielseitigkeit machen sie zu einer idealen Lösung für breite Anwendungen, von ländlichen Gebieten bis hin zu Industriekomplexen. Das Team am MIT und ihre Partner arbeiten weiterhin daran, das System zu verbessern und zu kommerzialisieren, mit dem Ziel, die öffentliche Gesundheit und den Umweltschutz zu verbessern.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology