Ein Forscherteam von Universitäten in Schottland, Portugal und Deutschland hat einen Sensor entwickelt, der dabei helfen kann, das Vorhandensein von Pestiziden in sehr niedrigen Konzentrationen in Wasserproben nachzuweisen.
Ihre Arbeit, die in einem heute in der Fachzeitschrift Polymer Materials and Engineering veröffentlichten Artikel beschrieben wird, könnte die Wasserüberwachung schneller, einfacher und kostengünstiger machen.
Pestizide werden weltweit in der Landwirtschaft eingesetzt, um Ernteausfälle zu verhindern. Allerdings ist Vorsicht geboten, da selbst geringe Mengen in Boden, Grundwasser oder Meerwasser Schäden für Mensch, Tier und Umwelt verursachen können.
Regelmäßige Umweltüberwachung ist unerlässlich, um die Wasserverschmutzung zu minimieren und bei Nachweis von Pestiziden in Wasserproben umgehend Maßnahmen ergreifen zu können. Derzeit werden Pestizidtests üblicherweise unter Laborbedingungen mit Methoden wie Chromatographie und Massenspektrometrie durchgeführt.
Diese Tests liefern zwar zuverlässige und genaue Ergebnisse, sind aber zeitaufwändig und kostspielig. Eine vielversprechende Alternative ist die chemische Analysemethode der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS).
Wenn Licht auf ein Molekül trifft, wird es je nach Molekülstruktur in unterschiedlichen Frequenzen gestreut. Mithilfe der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) können Wissenschaftler die Menge an Restmolekülen in einer auf einer Metalloberfläche adsorbierten Probe bestimmen, 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. Dadurch wird die Fähigkeit des Sensors verbessert, niedrige Molekülkonzentrationen in der Probe zu erkennen.
Das Forschungsteam hatte sich zum Ziel gesetzt, eine neue, portablere Testmethode zu entwickeln, mit der sich Moleküle mithilfe verfügbarer 3D-gedruckter Materialien in Wasserproben adsorbieren lassen und die im Feld genaue erste Ergebnisse liefern kann.
Dazu untersuchten sie verschiedene Zellstrukturen aus einer Mischung aus Polypropylen und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren. Die Strukturen wurden mithilfe von geschmolzenen Filamenten, einem gängigen 3D-Druckverfahren, hergestellt.
Mithilfe traditioneller nasschemischer Verfahren werden Silber- und Goldnanopartikel auf der Oberfläche der Zellstruktur abgeschieden, um einen oberflächenverstärkten Raman-Streuprozess zu ermöglichen.
Sie testeten die Fähigkeit verschiedener 3D-gedruckter Zellmaterialstrukturen, Moleküle des organischen Farbstoffs Methylenblau zu absorbieren und zu adsorbieren, und analysierten diese anschließend mit einem tragbaren Raman-Spektrometer.
Die Materialien, die in den ersten Tests die besten Ergebnisse erzielten – Gitterstrukturen (periodische Zellstrukturen), die an Silbernanopartikel gebunden waren – wurden anschließend auf den Teststreifen aufgebracht. Geringe Mengen realer Insektizide (Siram und Paraquat) wurden Meerwasser- und Süßwasserproben zugesetzt und diese zur SERS-Analyse auf Teststreifen aufgetragen.
Das Wasser wird an der Mündung des Flusses in Aveiro, Portugal, und aus Wasserhähnen in der gleichen Gegend entnommen, die regelmäßig getestet werden, um die Wasserverschmutzung effektiv zu überwachen.
Die Forscher stellten fest, dass die Teststreifen in der Lage waren, zwei Pestizidmoleküle in Konzentrationen von nur 1 Mikromol nachzuweisen, was einem Pestizidmolekül pro Million Wassermoleküle entspricht.
Professor Shanmugam Kumar von der James Watt School of Engineering der Universität Glasgow ist einer der Autoren der Studie. Diese Arbeit baut auf seiner Forschung zur Anwendung der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung nanostrukturierter Gitterstrukturen mit einzigartigen Eigenschaften auf.
„Die Ergebnisse dieser Vorstudie sind sehr ermutigend und zeigen, dass diese kostengünstigen Materialien zur Herstellung von Sensoren für SERS verwendet werden können, um Pestizide selbst in sehr niedrigen Konzentrationen nachzuweisen.“
Dr. Sara Fateixa vom CICECO Aveiro Materials Institute der Universität Aveiro, Mitautorin der Studie, hat Plasma-Nanopartikel entwickelt, die die SERS-Technologie unterstützen. Obwohl diese Studie die Fähigkeit des Systems zur Erkennung spezifischer Wasserverunreinigungen untersucht, lässt sich die Technologie problemlos zur Überwachung des Vorhandenseins von Wasserverunreinigungen einsetzen.
Veröffentlichungsdatum: 24. Januar 2024