Ein Forscherteam von Universitäten in Schottland, Portugal und Deutschland hat einen Sensor entwickelt, mit dessen Hilfe sich das Vorhandensein von Pestiziden in sehr geringen Konzentrationen in Wasserproben nachweisen lässt.
Ihre Arbeit, die in einem heute in der Zeitschrift „Polymer Materials and Engineering“ veröffentlichten neuen Artikel beschrieben wird, könnte die Wasserüberwachung schneller, einfacher und kostengünstiger machen.
Pestizide werden in der Landwirtschaft weltweit häufig eingesetzt, um Ernteausfälle zu verhindern. Allerdings ist Vorsicht geboten, da selbst kleine Mengen in den Boden, das Grundwasser oder das Meerwasser die Gesundheit von Mensch, Tier und Umwelt schädigen können.
Regelmäßige Umweltüberwachung ist unerlässlich, um die Wasserverschmutzung zu minimieren und beim 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, ihre Durchführung kann jedoch zeitaufwändig und teuer sein. Eine vielversprechende Alternative ist ein chemisches Analysetool namens Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS).
Trifft Licht auf ein Molekül, wird es je nach dessen Molekülstruktur mit unterschiedlichen Frequenzen gestreut. SERS ermöglicht es Wissenschaftlern, die Menge der in einer Probe auf einer Metalloberfläche adsorbierten Restmoleküle zu ermitteln und zu 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 verbessert sich die Fähigkeit des Sensors, niedrige Molekülkonzentrationen in der Probe zu erkennen.
Das Forschungsteam machte sich daran, eine neue, tragbarere Testmethode zu entwickeln, die unter Verwendung verfügbarer 3D-gedruckter Materialien Moleküle in Wasserproben adsorbieren und vor Ort genaue erste Ergebnisse liefern könnte.
Zu diesem Zweck untersuchten sie verschiedene Arten von Zellstrukturen aus einer Mischung aus Polypropylen und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren. Die Gebäude wurden mithilfe geschmolzener Filamente erstellt, einer gängigen Art des 3D-Drucks.
Mithilfe herkömmlicher Nasschemietechniken werden Silber- und Goldnanopartikel auf der Oberfläche der Zellstruktur abgelagert, um einen oberflächenverstärkten Raman-Streuprozess zu ermöglichen.
Sie testeten die Fähigkeit mehrerer verschiedener 3D-gedruckter Zellmaterialstrukturen, Moleküle des organischen Farbstoffs Methylenblau zu absorbieren und zu adsorbieren, und analysierten sie dann mit einem tragbaren Raman-Spektrometer.
Die Materialien, die in den ersten Tests am besten abschnitten – Gittermuster (periodische Zellstrukturen), die an Silbernanopartikel gebunden waren – wurden dann dem Teststreifen hinzugefügt. Kleine Mengen echter Insektizide (Siram und Paraquat) wurden Meerwasser- und Süßwasserproben zugesetzt und für die SERS-Analyse auf die Teststreifen gegeben.
Das Wasser wird aus der Flussmündung im portugiesischen Aveiro 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 erkennen konnten, was einem Pestizidmolekül pro Million Wassermolekülen entspricht.
Professor Shanmugam Kumar von der James Watt School of Engineering an der Universität Glasgow ist einer der Autoren des Artikels. Die Arbeit basiert auf seiner Forschung zur Verwendung von 3D-Drucktechnologie zur Herstellung nanotechnisch hergestellter Strukturgitter mit einzigartigen Eigenschaften.
„Die Ergebnisse dieser vorläufigen Studie sind sehr ermutigend und zeigen, dass diese kostengünstigen Materialien zur Herstellung von Sensoren für SERS verwendet werden können, um Pestizide selbst in sehr geringen Konzentrationen zu erkennen.“
Dr. Sara Fateixa vom CICECO Aveiro Materials Institute der Universität Aveiro, eine Co-Autorin der Studie, hat Plasma-Nanopartikel entwickelt, die die SERS-Technologie unterstützen. Während diese Studie die Fähigkeit des Systems untersucht, bestimmte Arten von Wasserverunreinigungen zu erkennen, könnte die Technologie problemlos zur Überwachung des Vorhandenseins von Wasserverunreinigungen eingesetzt werden.
Veröffentlichungszeit: 24. Januar 2024