Inżynierowie z MIT, Nanyang Technological University i kilku firm opracowali kompaktową i niedrogą technologię do wykrywania i pomiaru stężeń ołowiu w wodzie, co może potencjalnie przyczynić się do znaczącego postępu w rozwiązywaniu tego trwałego globalnego problemu zdrowotnego.

Światowa Organizacja Zdrowia szacuje, że 240 milionów ludzi na całym świecie jest narażonych na picie wody zawierającej niebezpieczne ilości toksycznego ołowiu, co może wpływać na rozwój mózgu u dzieci, powodować wady wrodzone i prowadzić do różnych neurologicznych, sercowych i innych szkodliwych skutków. Tylko w Stanach Zjednoczonych szacuje się, że 10 milionów gospodarstw domowych nadal otrzymuje wodę pitną przez ołowiane rury.

„To nierozwiązany kryzys zdrowia publicznego, który prowadzi do ponad miliona zgonów rocznie“, mówi Jia Xu Brian Sia, postdoktorant na MIT i główny autor pracy opisującej nową technologię.

Testowanie na obecność ołowiu w wodzie wymaga jednak drogiego, nieporęcznego sprzętu i zwykle trwa kilka dni, aby uzyskać wyniki. Alternatywnie, używa się prostych pasków testowych, które jedynie wykrywają obecność ołowiu bez informacji o jego stężeniu. Obecne przepisy EPA wymagają, aby woda pitna zawierała nie więcej niż 15 części na miliard ołowiu, stężenie tak niskie, że trudno je wykryć.

Nowy system, który mógłby być gotowy do komercyjnego zastosowania w ciągu dwóch do trzech lat, mógłby wykrywać stężenia ołowiu nawet do 1 części na miliard, z wysoką dokładnością, używając prostego chipa detektora umieszczonego w przenośnym urządzeniu. Technologia dostarcza niemal natychmiastowe pomiary ilościowe i wymaga tylko kropli wody.

Odkrycia zostały opisane w pracy opublikowanej dzisiaj w czasopiśmie Nature Communications przez Sia, studenta MIT i głównego autora Luigiego Ranno, profesora Juejuna Hu i 12 innych osób z MIT oraz innych instytucji w społeczności akademickiej i przemysłowej.

Zespół próbował znaleźć prostą metodę wykrywania opartą na wykorzystaniu chipów fotonicznych, które wykorzystują światło do przeprowadzania pomiarów. Wyzwanie polegało na znalezieniu sposobu na przymocowanie określonych pierścieniowych cząsteczek znanych jako etery koronowe na powierzchni chipu fotonicznego, które mogą wychwytywać specyficzne jony, takie jak ołów. Po latach starań udało im się to osiągnąć dzięki procesowi chemicznemu znanemu jako estryfikacja Fischera. „To jeden z kluczowych przełomów, jakie osiągnęliśmy w tej technologii“, mówi Sia.

Podczas testowania nowego chipa, badacze wykazali, że może on wykrywać ołów w wodzie w stężeniach tak niskich jak jedna część na miliard. Przy znacznie wyższych stężeniach, które mogą być istotne dla testowania zanieczyszczenia środowiska, takich jak odpady górnicze, dokładność wynosi 4 procent.

Urządzenie działa w wodzie o różnych poziomach kwasowości, w zakresie wartości pH od 6 do 8, „co obejmuje większość próbek środowiskowych“, mówi Sia. Testowali urządzenie zarówno z wodą morską, jak i wodą z kranu, potwierdzając dokładność pomiarów.

Aby osiągnąć taką dokładność, obecne testy wymagają urządzenia zwanego spektrometrem mas z indukcyjnie sprzężoną plazmą. „Te urządzenia mogą być duże i drogie“, mówi Sia. Przetwarzanie próbek może trwać dni i wymaga doświadczonego personelu technicznego.

Podczas gdy nowy system chipów, który opracowali, „jest rdzeniem innowacji“, mówi Ranno, konieczne będzie dalsze prace nad rozwinięciem go w zintegrowane, przenośne urządzenie do praktycznego użytku. „Aby stworzyć rzeczywisty produkt, trzeba go zapakować w użyteczną formę“, wyjaśnia. To obejmowałoby posiadanie małego chip-laseru połączonego z chipem fotonicznym. „Chodzi o projekt mechaniczny, niektóre projekty optyczne, chemię i znalezienie łańcucha dostaw“, mówi. Chociaż to zajmuje czas, mówi, podstawowe koncepcje są proste.

System można dostosować do wykrywania innych podobnych zanieczyszczeń w wodzie, w tym kadmu, miedzi, litu, baru, cezu i radu, mówi Ranno. Urządzenie mogłoby być używane z prostymi wymiennymi wkładami do wykrywania różnych pierwiastków, z których każdy używa nieco innych eterów koronowych, które mogą wiązać określony jon.

„Problem polega na tym, że ludzie nie mierzą swojej wody wystarczająco często, zwłaszcza w krajach rozwijających się“, mówi Ranno. „A to dlatego, że muszą zebrać wodę, przygotować próbkę i dostarczyć ją do tych ogromnych, niezwykle drogich instrumentów.“ Zamiast tego, „posiadanie tego przenośnego urządzenia, czegoś kompaktowego, co nawet niewyszkolony personel może przynieść do źródła do monitorowania w terenie, przy niskich kosztach,“ mogłoby umożliwić regularne, stałe szerokie testy.

Hu, który jest profesorem nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie John F. Elliott, mówi: „Mam nadzieję, że to zostanie szybko wdrożone, abyśmy mogli służyć ludzkiemu społeczeństwu. To dobry przykład technologii, która pochodzi z innowacji laboratoryjnej, gdzie może rzeczywiście wywierać bardzo namacalny wpływ na społeczeństwo, co jest oczywiście bardzo satysfakcjonujące.“

„Jeśli te badania można rozszerzyć na jednoczesne wykrywanie większej liczby elementów metalowych, w szczególności obecnie budzących obawy pierwiastków radioaktywnych, jej potencjał byłby ogromny“, mówi Hou Wang, profesor nadzwyczajny nauk o środowisku i inżynierii na Uniwersytecie Hunan w Chinach, który nie był związany z tą pracą.

Wang dodaje: „Te badania opracowały sensor zdolny do natychmiastowego wykrywania stężenia ołowiu w wodzie. Może to być używane w czasie rzeczywistym do monitorowania zanieczyszczenia ołowiem w ściekach przemysłowych uwalnianych przez przemysły takie jak produkcja baterii i wytapianie ołowiu, co ułatwia ustanowienie systemu monitorowania ścieków przemysłowych. Uważam, że innowacyjne aspekty i potencjał rozwojowy tych badań są bardzo godne pochwały.“

Zespół obejmował badaczy z MIT, Nanyang Technological University i Temasek Laboratories w Singapurze, University of Southampton w Wielkiej Brytanii, oraz firmy Fingate Technologies w Singapurze i Vulcan Photonics z siedzibą w Malezji. Praca korzystała z obiektów MIT.nano, Harvard University Center for Nanoscale Systems, NTU’s Center for Micro- and Nano-Electronics oraz Nanyang Nanofabrication Center.

Zespół badawczy zdołał zintegrować różne dyscypliny w rozwoju tej technologii, łącząc fotonikę, chemię i inżynierię, aby stworzyć system, który jest dostępny i łatwy w użyciu. Kluczowym wyzwaniem było stworzenie chipów fotonicznych, które mogą niezawodnie mierzyć ołów w rzeczywistych warunkach, co wymagało znacznych innowacji w materiałach i procesach.

Etery koronowe używane w systemie są kluczowe do wychwytywania jonów ołowiu. Te cząsteczki mają specyficzną pierścieniową strukturę, która umożliwia efektywne wiązanie się z ołowiem, a proces estryfikacji Fischera umożliwia ich stabilne przymocowanie do powierzchni chipa. Takie podejście zapewnia wysoką specyficzność i czułość systemu, co jest kluczowe do wykrywania niskich stężeń ołowiu w wodzie.

Testy wykazały, że urządzenie może działać w różnych warunkach, w tym przy różnych poziomach kwasowości i obecności innych zanieczyszczeń. Jest to ważne dla zastosowań w różnych środowiskach, od wody pitnej po ścieki przemysłowe. Ponadto system można dostosować do wykrywania innych toksycznych metali, co czyni go niezwykle wszechstronnym.

Jednym z najważniejszych aspektów tej technologii jest jej dostępność i łatwość użycia. Tradycyjne metody wykrywania ołowiu wymagają drogiego i skomplikowanego sprzętu oraz wykwalifikowanego personelu, co ogranicza ich zastosowanie, zwłaszcza w mniej rozwiniętych obszarach. Nowy system, z drugiej strony, umożliwia szybkie i dokładne pomiary przy minimalnych kosztach i złożoności technicznej.

Oczekuje się, że komercyjne zastosowanie tej technologii znacznie poprawi zdolność monitorowania i zarządzania zanieczyszczeniem wody. Integracja w przenośne urządzenia umożliwi częste i szeroko zakrojone testy, co jest kluczowe dla wczesnego wykrywania i zapobiegania zagrożeniom zdrowotnym związanym z narażeniem na ołów.

Rozwój tej technologii otwiera również możliwości dalszych badań i innowacji. Istnieje potencjał do rozszerzenia funkcjonalności urządzenia na wykrywanie szerokiego spektrum zanieczyszczeń, w tym pierwiastków radioaktywnych, co miałoby znaczący wpływ na standardy przemysłowe i środowiskowe. Wykorzystanie chipów fotonicznych do różnych zastosowań analitycznych stanowi znaczący krok naprzód w dziedzinie technologii sensorów.

Te badania pokazują również wartość interdyscyplinarnego podejścia w rozwoju nowych technologii. Współpraca między różnymi instytucjami i ekspertami umożliwiła rozwiązanie skomplikowanych problemów i rozwinięcie innowacyjnych rozwiązań, które mogą mieć szerokie zastosowanie. Łącząc teoretyczne wiedze z praktycznymi zastosowaniami, zespół stworzył system, który nie tylko poprawia naukowe zrozumienie, ale także przynosi realne korzyści społeczne.

Rozwój tej technologii stanowi ważny krok naprzód w walce z zanieczyszczeniem ołowiem i innymi toksycznymi metalami w wodzie. Jej prostota, dostępność i wszechstronność czynią ją idealnym rozwiązaniem do szerokiego zastosowania, od obszarów wiejskich po kompleksy przemysłowe. Zespół z MIT i ich partnerzy kontynuują prace nad udoskonalaniem i komercjalizacją systemu, z celem poprawy zdrowia publicznego i ochrony środowiska.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology