格拉斯哥大學(xué)

其開發(fā)人員表示，一種新型的低成本3D打印水污染傳感器可能會在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域引起轟動。

來自蘇格蘭，葡萄牙和德國大學(xué)的一組研究人員開發(fā)了該傳感器，可以幫助檢測水樣中極低濃度的農(nóng)藥。

他們的工作在今天發(fā)表在《大分子材料與工程》雜志上的一篇新論文中概述，可以使水監(jiān)測更快、更容易、更實惠。

農(nóng)藥廣泛用于世界各地的農(nóng)業(yè)，以防止作物損失。但是，需要小心處理它們，因為即使是少量泄漏到土壤，地下水或海水中也可能對人類，動物和環(huán)境健康有害。

定期環(huán)境監(jiān)測對于大限度地減少水污染至關(guān)重要，以便在水樣中檢測到農(nóng)藥時迅速采取行動。目前，農(nóng)藥測試常在實驗室環(huán)境中使用色譜和質(zhì)譜等技術(shù)進(jìn)行。

雖然這些測試提供了可靠和準(zhǔn)確的結(jié)果，但它們既耗時又昂貴。一種有前途的替代方案是稱為表面增強拉曼散射（SERS）的化學(xué)分析工具。

當(dāng)光照射到分子時，它會以具有明顯不同頻率的方式散射，具體取決于分子的分子結(jié)構(gòu)。SERS允許科學(xué)家通過分析分子如何散射光的獨特“指紋”來檢測和識別吸附在金屬表面上的測試樣品中殘留的分子量。

通過改善金屬表面使其能夠吸附分子，可以增強效果，從而提高傳感器檢測樣品中低濃度分子的能力。

研究小組著手開發(fā)一種新的，更便攜的測試方法，可以使用負(fù)擔(dān)得起的3D打印材料從水樣中吸附分子，并在現(xiàn)場提供準(zhǔn)確的初步結(jié)果。

為此，他們探索了幾種不同類型的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)由聚丙烯和多壁碳納米管的混合物制成。這些架構(gòu)是使用熔融長絲制造生產(chǎn)的，這是一種常見的3D打印類型。

使用常見的濕化學(xué)方法在細(xì)胞結(jié)構(gòu)的表面涂覆銀和金納米顆粒，以實現(xiàn)表面增強拉曼散射過程。

他們測試了3D打印細(xì)胞材料的幾種不同架構(gòu)設(shè)計吸收和吸附稱為亞甲藍(lán)的有機染料分子的能力，然后由便攜式拉曼光譜儀進(jìn)行分析。

這些初始測試中性能良好的材料 - 晶格（周期性細(xì)胞結(jié)構(gòu)）設(shè)計與銀納米顆粒相結(jié)合 - 然后被添加到測試條中。將摻有少量殺蟲劑（稱為硫侖和百草枯）的海水和淡水樣品滴到試紙上，進(jìn)行SERS分析。

這些水來自葡萄牙阿威羅的一個河口和同一地區(qū)的水龍頭 - 這些地方定期接受現(xiàn)實生活中的水污染監(jiān)測測試。

研究人員發(fā)現(xiàn)，試紙能夠以低至1微摩爾的濃度檢測兩種農(nóng)藥的分子 - 相當(dāng)于一分子農(nóng)藥對一百萬個水分子。

格拉斯哥大學(xué)詹姆斯瓦特工程學(xué)院的Shanmugam Kumar教授是該論文的通訊作者之一。這項工作建立在他使用3D打印技術(shù)創(chuàng)建具有獨特屬性的納米工程結(jié)構(gòu)格子的研究基礎(chǔ)上。

他說：“SERS是一種有價值的診斷技術(shù)，在各種不同的領(lǐng)域都有應(yīng)用。我們開發(fā)的傳感器基板材料受益于納米碳工程架構(gòu)晶格的大表面積和金屬納米顆粒的優(yōu)異光學(xué)特性的良好組合。

“金屬納米顆粒中強大的局部電磁場與碳質(zhì)材料的化學(xué)機制的相互作用為SERS分析創(chuàng)造了高度活躍的表面。

“這項初步研究的結(jié)果非常令人鼓舞，表明即使在非常低的濃度下，這些低成本材料也可用于生產(chǎn)用于SERS檢測農(nóng)藥的傳感器。

阿威羅大學(xué)CICECO Aveiro材料研究所的Sara Fateixa博士與人合著了這篇論文，并設(shè)計了使SERS技術(shù)成為可能的等離子體納米顆粒。她說：“雖然本文研究了該系統(tǒng)檢測特定類型水污染物的潛力，但該技術(shù)可以很容易地用于監(jiān)測樣品中各種化學(xué)物質(zhì)的存在。

“例如，在農(nóng)業(yè)中，正在從疾病中恢復(fù)的牛的牛奶，用抗生素治療，直到藥物離開他們的系統(tǒng)后才能出售。目前，證明他們的牛奶已準(zhǔn)備好重返市場的測試價格昂貴，但我們的診斷材料可以進(jìn)行調(diào)整，以更實惠的方式提供可靠的結(jié)果。

“我們期待繼續(xù)開發(fā)這種非常有前途的傳感器材料，用于SERS應(yīng)用。

更多信息：Sara Fateixa 等人，支持增材制造的涂有等離子體納米顆粒的架構(gòu)納米復(fù)合晶格用于水污染物檢測，大分子材料和工程（2023 年）。