مستشعر جودة المياه

قام فريق من الباحثين من جامعات في اسكتلندا والبرتغال وألمانيا بتطوير جهاز استشعار يمكن أن يساعد في الكشف عن وجود المبيدات الحشرية بتركيزات منخفضة للغاية في عينات المياه.
إن عملهم، الموصوف في ورقة بحثية جديدة نُشرت اليوم في مجلة Polymer Materials and Engineering، يمكن أن يجعل 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 يمكن أن تسبب ضررًا على صحة الإنسان والحيوان والبيئة.

يعد الرصد البيئي المنتظم أمرًا ضروريًا لتقليل تلوث المياه حتى يمكن اتخاذ إجراءات فورية عند اكتشاف مبيدات الآفات في عينات المياه.حاليًا، يتم إجراء اختبار المبيدات الحشرية عادةً تحت ظروف معملية باستخدام طرق مثل التحليل اللوني وقياس الطيف الكتلي.
على الرغم من أن هذه الاختبارات توفر نتائج موثوقة ودقيقة، إلا أنها قد تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة في تنفيذها.أحد البدائل الواعدة هو أداة التحليل الكيميائي التي تسمى تشتت رامان المحسن السطح (SERS).
عندما يضرب الضوء جزيئًا ما، فإنه ينتشر بترددات مختلفة اعتمادًا على التركيب الجزيئي للجزيء.يسمح SERS للعلماء باكتشاف وتحديد كمية الجزيئات المتبقية في عينة اختبار ممتصة على سطح معدني من خلال تحليل "البصمة" الفريدة للضوء المتناثر بواسطة الجزيئات.
ويمكن تعزيز هذا التأثير عن طريق تعديل السطح المعدني بحيث يمكنه امتصاص الجزيئات، وبالتالي تحسين قدرة المستشعر على اكتشاف التركيزات المنخفضة من الجزيئات في العينة.
شرع فريق البحث في تطوير طريقة اختبار جديدة وأكثر قابلية للحمل يمكنها امتصاص الجزيئات في عينات المياه باستخدام المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد المتاحة وتقديم نتائج أولية دقيقة في هذا المجال.
وللقيام بذلك، قاموا بدراسة عدة أنواع مختلفة من هياكل الخلايا المصنوعة من خليط من مادة البولي بروبيلين وأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران.تم إنشاء المباني باستخدام خيوط منصهرة، وهو نوع شائع من الطباعة ثلاثية الأبعاد.
باستخدام تقنيات الكيمياء الرطبة التقليدية، يتم ترسيب جزيئات الفضة والذهب النانوية على سطح بنية الخلية لتمكين عملية تشتيت رامان المحسنة على السطح.
لقد اختبروا قدرة العديد من هياكل مواد الخلايا المطبوعة ثلاثية الأبعاد المختلفة على امتصاص وامتصاص جزيئات الصبغة العضوية الميثيلين الأزرق، ثم قاموا بتحليلها باستخدام مطياف رامان المحمول.
تمت بعد ذلك إضافة المواد التي حققت أفضل أداء في الاختبارات الأولية - التصاميم الشبكية (الهياكل الخلوية الدورية) المرتبطة بجسيمات الفضة النانوية - إلى شريط الاختبار.تمت إضافة كميات صغيرة من المبيدات الحشرية الحقيقية (سيرام وباراكوات) إلى عينات مياه البحر والمياه العذبة ووضعها على شرائط الاختبار لتحليل SERS.
يتم أخذ المياه من مصب النهر في أفيرو، البرتغال، ومن الصنابير الموجودة في نفس المنطقة، والتي يتم اختبارها بانتظام 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 واحد لكل مليون جزيء ماء.
البروفيسور شانموجام كومار، من كلية جيمس وات للهندسة بجامعة جلاسكو، هو أحد مؤلفي هذه الورقة.يعتمد هذا العمل على بحثه في استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء شبكات هيكلية ذات خصائص فريدة من نوعها باستخدام الهندسة النانوية.
"إن نتائج هذه الدراسة الأولية مشجعة للغاية وتظهر أنه يمكن استخدام هذه المواد منخفضة التكلفة لإنتاج أجهزة استشعار لـ SERS للكشف عن المبيدات الحشرية، حتى بتركيزات منخفضة للغاية."
قامت الدكتورة سارة فاتيكسا من معهد CICECO Aveiro للمواد في جامعة أفييرو، وهي مؤلفة مشاركة في هذه الورقة، بتطوير جسيمات البلازما النانوية التي تدعم تقنية SERS.في حين أن هذه الورقة تبحث قدرة النظام على اكتشاف أنواع معينة من ملوثات المياه، يمكن بسهولة تطبيق التكنولوجيا لرصد وجود ملوثات المياه.