قام فريق من الباحثين من جامعات في اسكتلندا والبرتغال وألمانيا بتطوير جهاز استشعار يمكنه المساعدة في الكشف عن وجود المبيدات الحشرية بتركيزات منخفضة للغاية في عينات المياه.
وقد يؤدي عملهم، الذي تم وصفه في ورقة بحثية جديدة نشرت اليوم في مجلة Polymer Materials and Engineering، إلى جعل مراقبة المياه أسرع وأسهل وأرخص.
تُستخدم المبيدات الحشرية على نطاق واسع في الزراعة حول العالم لمنع خسائر المحاصيل. ومع ذلك، يجب توخي الحذر، فحتى التسربات الصغيرة في التربة أو المياه الجوفية أو مياه البحر قد تُلحق الضرر بصحة الإنسان والحيوان والبيئة.
يُعدّ الرصد البيئي المنتظم أمرًا بالغ الأهمية للحد من تلوث المياه، بما يتيح اتخاذ إجراءات فورية عند اكتشاف مبيدات حشرية في عينات المياه. حاليًا، تُجرى اختبارات المبيدات عادةً في ظروف معملية باستخدام أساليب مثل الكروماتوغرافيا ومطياف الكتلة.
مع أن هذه الاختبارات تُقدم نتائج موثوقة ودقيقة، إلا أنها قد تكون مُستهلكة للوقت ومُكلفة. ومن البدائل الواعدة أداة تحليل كيميائي تُسمى تشتت رامان المُحسَّن على السطح (SERS).
عندما يسقط الضوء على جزيء، فإنه يتشتت بترددات مختلفة تبعًا لبنيته الجزيئية. يتيح نظام SERS للعلماء اكتشاف وتحديد كمية الجزيئات المتبقية في عينة اختبار ممتزة على سطح معدني، وذلك من خلال تحليل "البصمة" الفريدة للضوء الذي تشتته الجزيئات.
يمكن تعزيز هذا التأثير عن طريق تعديل سطح المعدن بحيث يصبح قادرًا على امتصاص الجزيئات، وبالتالي تحسين قدرة المستشعر على اكتشاف التركيزات المنخفضة من الجزيئات في العينة.
شرع فريق البحث في تطوير طريقة اختبار جديدة وأكثر قابلية للنقل يمكنها امتصاص الجزيئات في عينات المياه باستخدام المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد المتاحة وتوفير نتائج أولية دقيقة في الميدان.
لتحقيق ذلك، درسوا أنواعًا مختلفة من هياكل الخلايا المصنوعة من خليط من البولي بروبيلين وأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران. صُممت المباني باستخدام خيوط منصهرة، وهو نوع شائع من الطباعة ثلاثية الأبعاد.
باستخدام تقنيات الكيمياء الرطبة التقليدية، يتم ترسيب جسيمات نانوية من الفضة والذهب على سطح بنية الخلية لتمكين عملية التشتت رامان المعززة على السطح.
لقد قاموا باختبار قدرة العديد من هياكل المواد الخلوية المطبوعة ثلاثية الأبعاد على امتصاص وامتصاص جزيئات الصبغة العضوية الميثيلين الأزرق، ثم قاموا بتحليلها باستخدام مطياف رامان المحمول.
أُضيفت المواد التي حققت أفضل أداء في الاختبارات الأولية - وهي تصميمات شبكية (هياكل خلوية دورية) مرتبطة بجسيمات نانوية فضية - إلى شريط الاختبار. وأُضيفت كميات صغيرة من المبيدات الحشرية الحقيقية (سيرام وباراكوات) إلى عينات من مياه البحر والمياه العذبة، ووُضعت على شرائط الاختبار لتحليل SERS.
يتم أخذ المياه من مصب النهر في مدينة أفيرو في البرتغال، ومن الصنابير في نفس المنطقة، والتي يتم اختبارها بشكل منتظم لمراقبة تلوث المياه بشكل فعال.
ووجد الباحثون أن الشرائط كانت قادرة على اكتشاف جزيئين من مبيد الآفات بتركيزات منخفضة تصل إلى 1 ميكرومول، وهو ما يعادل جزيء مبيد آفات واحد لكل مليون جزيء ماء.
البروفيسور شانموغام كومار، من كلية جيمس وات للهندسة بجامعة غلاسكو، هو أحد مؤلفي هذه الورقة البحثية. ويستند هذا العمل إلى بحثه في استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء شبكات هيكلية نانوية هندسية ذات خصائص فريدة.
"إن نتائج هذه الدراسة الأولية مشجعة للغاية وتظهر أن هذه المواد منخفضة التكلفة يمكن استخدامها لإنتاج أجهزة استشعار لنظام SERS للكشف عن المبيدات الحشرية، حتى في تركيزات منخفضة للغاية."
طورت الدكتورة سارة فاتيكسا من معهد سيسيكو أفيرو للمواد بجامعة أفيرو، والمؤلفة المشاركة في البحث، جسيمات نانوية بلازمية تدعم تقنية SERS. وبينما تبحث هذه الدراسة في قدرة النظام على اكتشاف أنواع محددة من ملوثات المياه، يُمكن تطبيق هذه التقنية بسهولة لرصد وجود ملوثات المياه.
وقت النشر: ٢٤ يناير ٢٠٢٤