წყლის ხარისხის სენსორი

შოტლანდიის, პორტუგალიისა და გერმანიის უნივერსიტეტების მკვლევართა ჯგუფმა შეიმუშავა სენსორი, რომელიც წყლის ნიმუშებში პესტიციდების ძალიან დაბალი კონცენტრაციის არსებობის აღმოჩენაში დაგეხმარებათ.
მათი ნამუშევარი, რომელიც დღეს ჟურნალ „პოლიმერული მასალები და ინჟინერიაში“ გამოქვეყნებულ ახალ ნაშრომშია აღწერილი, წყლის მონიტორინგის დაჩქარებას, გამარტივებასა და იაფობას შეუწყობს ხელს.
პესტიციდები ფართოდ გამოიყენება სოფლის მეურნეობაში მთელ მსოფლიოში მოსავლის დანაკარგის თავიდან ასაცილებლად. თუმცა, სიფრთხილეა საჭირო, რადგან ნიადაგში, მიწისქვეშა წყლებში ან ზღვის წყალში მცირე გაჟონვამაც კი შეიძლება ზიანი მიაყენოს ადამიანის, ცხოველებისა და გარემოს ჯანმრთელობას.

წყლის დაბინძურების მინიმიზაციისთვის აუცილებელია რეგულარული გარემოსდაცვითი მონიტორინგი, რათა წყლის ნიმუშებში პესტიციდების აღმოჩენის შემთხვევაში დაუყოვნებლივი ზომების მიღება იყოს შესაძლებელი. ამჟამად, პესტიციდების ტესტირება, როგორც წესი, ლაბორატორიულ პირობებში, ისეთი მეთოდების გამოყენებით, როგორიცაა ქრომატოგრაფია და მას-სპექტრომეტრია.
მიუხედავად იმისა, რომ ეს ტესტები საიმედო და ზუსტ შედეგებს იძლევა, მათი ჩატარება შეიძლება დიდ დროსა და ხარჯებს მოითხოვდეს. ერთ-ერთი პერსპექტიული ალტერნატივაა ქიმიური ანალიზის ინსტრუმენტი, რომელსაც ზედაპირულად გაძლიერებული რამანის გაფანტვა (SERS) ეწოდება.
როდესაც სინათლე მოლეკულას ხვდება, ის სხვადასხვა სიხშირეზე იფანტება, რაც დამოკიდებულია მოლეკულის მოლეკულურ სტრუქტურაზე. SERS-ი მეცნიერებს საშუალებას აძლევს, მოლეკულების მიერ გაბნეული სინათლის უნიკალური „ანაბეჭდის“ ანალიზით, აღმოაჩინონ და დაადგინონ ლითონის ზედაპირზე ადსორბირებული ნარჩენი მოლეკულების რაოდენობა სატესტო ნიმუშში.
ეს ეფექტი შეიძლება გაძლიერდეს ლითონის ზედაპირის ისე მოდიფიცირებით, რომ მას შეეძლოს მოლეკულების ადსორბცია, რითაც გაუმჯობესდება სენსორის უნარი, აღმოაჩინოს მოლეკულების დაბალი კონცენტრაცია ნიმუშში.
კვლევის ჯგუფმა გადაწყვიტა შეემუშავებინა ახალი, უფრო პორტატული ტესტირების მეთოდი, რომელსაც შეეძლო მოლეკულების ადსორბცია წყლის ნიმუშებში არსებული 3D პრინტერის მასალების გამოყენებით და საველე პირობებში ზუსტი საწყისი შედეგების უზრუნველყოფა.
ამისათვის მათ შეისწავლეს პოლიპროპილენისა და მრავალკედლიანი ნახშირბადის ნანომილაკების ნარევისგან დამზადებული უჯრედული სტრუქტურების რამდენიმე განსხვავებული ტიპი. შენობები შეიქმნა გამდნარი ძაფების გამოყენებით, რაც 3D ბეჭდვის გავრცელებული სახეობაა.
ტრადიციული სველი ქიმიის ტექნიკის გამოყენებით, ვერცხლისა და ოქროს ნანონაწილაკები ილექება უჯრედის სტრუქტურის ზედაპირზე, რათა უზრუნველყოფილი იყოს ზედაპირულად გაძლიერებული რამანის გაფანტვის პროცესი.
მათ გამოსცადეს რამდენიმე სხვადასხვა 3D პრინტერით დაბეჭდილი უჯრედული მასალის სტრუქტურის უნარი, შეეწოვა და ადსორბირება მოეხდინათ ორგანული საღებავის, მეთილენის ლურჯის, მოლეკულების, შემდეგ კი ისინი პორტატული რამანის სპექტრომეტრის გამოყენებით გააანალიზეს.
სატესტო ზოლს დაემატა მასალები, რომლებმაც საწყის ტესტებში საუკეთესო შედეგი აჩვენეს - ვერცხლის ნანონაწილაკებთან შეკავშირებული ბადისებრი დიზაინები (პერიოდული უჯრედული სტრუქტურები). ზღვისა და მტკნარი წყლის ნიმუშებს დაემატა მცირე რაოდენობით ნამდვილი ინსექტიციდები (სირამი და პარაკვატი) და SERS ანალიზისთვის მოათავსეს ტესტ ზოლებზე.
წყალი აღებულია მდინარის შესართავიდან ავეიროში, პორტუგალიაში და იმავე ტერიტორიაზე არსებული ონკანებიდან, რომლებიც რეგულარულად მოწმდება წყლის დაბინძურების ეფექტური მონიტორინგის მიზნით.
მკვლევრებმა აღმოაჩინეს, რომ ზოლებს შეეძლოთ ორი პესტიციდის მოლეკულის აღმოჩენა 1 მიკრომოლის კონცენტრაციით, რაც უდრის ერთ პესტიციდის მოლეკულას მილიონ წყლის მოლეკულაზე.
ნაშრომის ერთ-ერთი ავტორია პროფესორი შანმუგამ კუმარი, გლაზგოს უნივერსიტეტის ჯეიმს უატის სახელობის საინჟინრო სკოლიდან. ეს ნაშრომი ეფუძნება მის კვლევას 3D ბეჭდვის ტექნოლოგიის გამოყენების შესახებ უნიკალური თვისებების მქონე ნანოინჟინერიული სტრუქტურული ბადეების შესაქმნელად.
„ამ წინასწარი კვლევის შედეგები ძალიან იმედისმომცემია და აჩვენებს, რომ ეს დაბალფასიანი მასალები შეიძლება გამოყენებულ იქნას SERS-ის სენსორების წარმოებისთვის პესტიციდების აღმოსაჩენად, თუნდაც ძალიან დაბალი კონცენტრაციების დროს.“
ავეიროს უნივერსიტეტის CICECO ავეიროს მასალების ინსტიტუტის წარმომადგენელმა, დოქტორმა სარა ფატეიშამ, რომელიც ნაშრომის თანაავტორია, შეიმუშავა პლაზმური ნანონაწილაკები, რომლებიც მხარს უჭერენ SERS ტექნოლოგიას. მიუხედავად იმისა, რომ ნაშრომი იკვლევს სისტემის უნარს, აღმოაჩინოს წყლის დამაბინძურებლების კონკრეტული ტიპები, ტექნოლოგია ადვილად შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყლის დამაბინძურებლების არსებობის მონიტორინგისთვის.