Wasserqualitätssensor

Ein Forscherteam von Universitäten in Schottland, Portugal und Deutschland hat einen Sensor entwickelt, der dabei helfen kann, das Vorhandensein von Pestiziden in sehr geringen Konzentrationen in Wasserproben zu erkennen.
Ihre Arbeit, beschrieben in einem neuen Artikel, der heute in der Fachzeitschrift Polymer Materials and Engineering veröffentlicht wurde, könnte die Wasserüberwachung schneller, einfacher und kostengünstiger machen.
Pestizide werden in der Landwirtschaft auf der ganzen Welt häufig eingesetzt, um Ernteausfälle zu verhindern.Allerdings ist Vorsicht geboten, da bereits kleine Leckagen in den Boden, das Grundwasser oder das Meerwasser die Gesundheit von Mensch, Tier und Umwelt schädigen können.

Um die Wasserverschmutzung zu minimieren, ist eine regelmäßige Umweltüberwachung unerlässlich, damit bei einem Nachweis von Pestiziden in Wasserproben umgehend Maßnahmen ergriffen werden können.Derzeit werden Pestizidtests in der Regel unter Laborbedingungen mit Methoden wie Chromatographie und Massenspektrometrie durchgeführt.
Diese Tests liefern zwar zuverlässige und genaue Ergebnisse, ihre Durchführung kann jedoch zeitaufwändig und teuer sein.Eine vielversprechende Alternative ist ein chemisches Analysetool namens Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS).
Wenn Licht auf ein Molekül trifft, wird es je nach Molekülstruktur des Moleküls mit unterschiedlichen Frequenzen gestreut.Mit SERS können Wissenschaftler die Menge an Restmolekülen in einer auf einer Metalloberfläche adsorbierten Testprobe erkennen und identifizieren, indem sie den einzigartigen „Fingerabdruck“ des von den Molekülen gestreuten Lichts analysieren.
Dieser Effekt kann verstärkt werden, indem die Metalloberfläche so modifiziert wird, dass sie Moleküle adsorbieren kann, wodurch die Fähigkeit des Sensors verbessert wird, niedrige Konzentrationen von Molekülen in der Probe zu erkennen.
Das Forschungsteam machte sich daran, eine neue, tragbarere Testmethode zu entwickeln, die mithilfe verfügbarer 3D-gedruckter Materialien Moleküle in Wasserproben adsorbieren und vor Ort genaue erste Ergebnisse liefern könnte.
Dazu untersuchten sie verschiedene Arten von Zellstrukturen, die aus einer Mischung aus Polypropylen und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren bestehen.Die Gebäude wurden aus geschmolzenen Filamenten erstellt, einer gängigen Art des 3D-Drucks.
Mithilfe traditioneller nasschemischer Techniken werden Silber- und Gold-Nanopartikel auf der Oberfläche der Zellstruktur abgeschieden, um einen oberflächenverstärkten Raman-Streuungsprozess zu ermöglichen.
Sie testeten die Fähigkeit verschiedener 3D-gedruckter Zellmaterialstrukturen, Moleküle des organischen Farbstoffs Methylenblau zu absorbieren und zu adsorbieren, und analysierten sie anschließend mit einem tragbaren Raman-Spektrometer.
Die Materialien, die in den ersten Tests am besten abschnitten – Gittermuster (periodische Zellstrukturen), gebunden an Silbernanopartikel –, wurden dann dem Teststreifen hinzugefügt.Kleine Mengen echter Insektizide (Siram und Paraquat) wurden Meerwasser- und Süßwasserproben zugesetzt und zur SERS-Analyse auf Teststreifen gegeben.
Das Wasser wird aus der Mündung des Flusses in Aveiro, Portugal, und aus Wasserhähnen in der gleichen Gegend entnommen, die regelmäßig getestet werden, um die Wasserverschmutzung wirksam zu überwachen.
Die Forscher fanden heraus, dass die Streifen zwei Pestizidmoleküle in Konzentrationen von nur 1 Mikromol nachweisen konnten, was einem Pestizidmolekül pro Million Wassermoleküle entspricht.
Professor Shanmugam Kumar von der James Watt School of Engineering der University of Glasgow ist einer der Autoren des Papiers.Diese Arbeit baut auf seiner Forschung zum Einsatz der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung nanotechnischer Strukturgitter mit einzigartigen Eigenschaften auf.
„Die Ergebnisse dieser Vorstudie sind sehr ermutigend und zeigen, dass diese kostengünstigen Materialien zur Herstellung von Sensoren für SERS zum Nachweis von Pestiziden verwendet werden können, selbst in sehr geringen Konzentrationen.“
Dr. Sara Fateixa vom CICECO Aveiro Materials Institute an der Universität Aveiro, Mitautorin des Artikels, hat Plasma-Nanopartikel entwickelt, die die SERS-Technologie unterstützen.Während in diesem Artikel die Fähigkeit des Systems untersucht wird, bestimmte Arten von Wasserverunreinigungen zu erkennen, könnte die Technologie auch problemlos zur Überwachung des Vorhandenseins von Wasserverunreinigungen eingesetzt werden.