格拉斯哥大學

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)測領域引起轟動。

來自蘇格蘭，葡萄牙和德國大學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。

農藥廣泛用于世界各地的農業(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重要，以便在水樣中檢測到農藥時迅速采取行動。目前，農藥測試常在實驗室環(huán)境中使用色譜和質譜等技術進行。

雖然這些測試提供了可靠和準確的結果，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）的化學分析工具。

當光照射到分子時，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構。SERS允許科學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，可以使用負擔得起的3D打印材料從水樣中吸附分子，并在現(xiàn)場提供準確的初步結果。

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

使用常見的濕化學方法在細胞結構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打印細胞材料的幾種不同架構設計吸收和吸附稱為亞甲藍的有機染料分子的能力，然后由便攜式拉曼光譜儀進行分析。

這些初始測試中性能良好的材料 - 晶格（周期性細胞結構）設計與銀納米顆粒相結合 - 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藥的分子 - 相當于一分子農藥對一百萬個水分子。

格拉斯哥大學詹姆斯瓦特工程學院的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打印技術創(chuàng)建具有獨特屬性的納米工程結構格子的研究基礎上。

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

“金屬納米顆粒中強大的局部電磁場與碳質材料的化學機制的相互作用為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用于SERS檢測農藥的傳感器。

阿威羅大學CICECO Aveiro材料研究所的Sara Fateixa博士與人合著了這篇論文，并設計了使SERS技術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，但該技術可以很容易地用于監(jiān)測樣品中各種化學物質的存在。

“例如，在農業(yè)中，正在從疾病中恢復的牛的牛奶，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備好重返市場的測試價格昂貴，但我們的診斷材料可以進行調整，以更實惠的方式提供可靠的結果。

“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納米復合晶格用于水污染物檢測，大分子材料和工程（2023 年）。