دانشمندان یک حسگر مقرون به صرفه برای آلودگی سرب ایجاد کردند!

سازمان بهداشت جهانی تخمین می زند که 240 میلیون نفر در سراسر جهان در معرض آب آشامیدنی حاوی مقادیر ناایمن سرب سمی هستند که می تواند بر رشد مغز در کودکان تأثیر بگذارد، باعث نقص مادرزادی شود و انواع مختلفی از اثرات مخرب عصبی، قلبی و سایر موارد را ایجاد کند. تنها در ایالات متحده، حدود 10 میلیون خانوار هنوز آب آشامیدنی را از طریق لوله های سربی دریافت می کنند.

جیا زو برایان سیا، فوق دکترای MIT و نویسنده ارشد مقاله در توصیف فناوری جدید، می‌گوید: «این یک بحران بهداشت عمومی بدون رسیدگی است که منجر به مرگ بیش از یک میلیون نفر در سال می‌شود.

اما آزمایش سرب در آب به تجهیزات گران قیمت و دست و پا گیر نیاز دارد و معمولاً به روزها نیاز دارد تا به نتیجه برسد. یا از نوارهای تست ساده استفاده می کند که به سادگی پاسخ بله یا خیر را در مورد وجود سرب نشان می دهد اما اطلاعاتی در مورد غلظت آن وجود ندارد. مقررات فعلی EPA ایجاب می کند که آب آشامیدنی حاوی بیش از 15 قسمت در میلیارد سرب نباشد، غلظتی که به قدری پایین است که تشخیص آن دشوار است.

این سیستم جدید که می‌تواند در عرض دو یا سه سال برای استقرار تجاری آماده شود، می‌تواند با استفاده از یک آشکارساز ساده مبتنی بر تراشه که در یک دستگاه دستی قرار دارد، غلظت سرب کمتر از 1 قسمت در میلیارد را با دقت بالا شناسایی کند. این فناوری اندازه گیری های کمی را تقریباً فوری انجام می دهد و فقط به یک قطره آب نیاز دارد.

این یافته‌ها در مقاله‌ای که امروز در مجله Nature Communications توسط Sia، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT و نویسنده اصلی لوئیجی رانو، پروفسور Juejun Hu و 12 نفر دیگر در MIT و سایر مؤسسات دانشگاهی و صنعتی منتشر شد، توضیح داده شده‌اند.

این تیم به دنبال یافتن یک روش تشخیص ساده بر اساس استفاده از تراشه های فوتونیک بود که از نور برای انجام اندازه گیری ها استفاده می کند. بخش چالش برانگیز، یافتن راهی برای اتصال به سطح تراشه فوتونیک مولکول‌های حلقه‌ای شکلی بود که به عنوان اترهای تاج شناخته می‌شوند، که می‌توانند یون‌های خاصی مانند سرب را جذب کنند. پس از سالها تلاش، آنها توانستند از طریق یک فرآیند شیمیایی به نام استریفیکاسیون فیشر به این اتصال دست یابند. سیا می‌گوید: «این یکی از پیشرفت‌های اساسی ما در این فناوری است.

در آزمایش تراشه جدید، محققان نشان دادند که می‌تواند سرب موجود در آب را در غلظت‌های کمتر از یک قسمت در میلیارد تشخیص دهد. در غلظت های بسیار بالاتر، که ممکن است برای آزمایش آلودگی محیطی مانند باطله معدن مرتبط باشد، دقت در 4 درصد است.

سیا می‌گوید: این دستگاه در آب با سطوح مختلف اسیدیته کار می‌کند، از مقادیر pH از 6 تا 8، که بیشتر نمونه‌های محیطی را پوشش می‌دهد. آنها دستگاه را با آب دریا و همچنین آب لوله کشی آزمایش کرده اند و صحت اندازه گیری ها را تأیید کرده اند.

برای دستیابی به چنین سطوحی از دقت، آزمایش جریان به دستگاهی به نام طیف‌سنج جرمی پلاسما جفت شده القایی نیاز دارد. سیا می گوید: «این تنظیمات می توانند بزرگ و گران باشند. پردازش نمونه می تواند روزها طول بکشد و به پرسنل فنی با تجربه نیاز دارد.

رانو می‌گوید در حالی که سیستم تراشه جدیدی که آنها توسعه داده‌اند “بخش اصلی نوآوری” است، کار بیشتری برای توسعه آن به یک دستگاه یکپارچه دستی برای استفاده عملی مورد نیاز است. او توضیح می‌دهد: «برای ساختن یک محصول واقعی، باید آن را در قالبی قابل استفاده بسته بندی کنید. این شامل داشتن یک لیزر مبتنی بر تراشه کوچک است که به تراشه فوتونیک متصل می شود. او می گوید: «این یک موضوع طراحی مکانیکی، طراحی نوری، مقداری شیمی و کشف زنجیره تأمین است. او می‌گوید در حالی که این کار به زمان نیاز دارد، مفاهیم اساسی ساده هستند.

رانو می‌گوید این سیستم می‌تواند برای شناسایی سایر آلاینده‌های مشابه در آب، از جمله کادمیوم، مس، لیتیوم، باریم، سزیم و رادیوم سازگار باشد. این دستگاه را می‌توان با کارتریج‌های ساده‌ای استفاده کرد که می‌توان آن‌ها را برای شناسایی عناصر مختلف جایگزین کرد، که هر کدام از اترهای تاج کمی متفاوت استفاده می‌کنند که می‌توانند به یک یون خاص متصل شوند.

رانو می گوید: «این مشکل وجود دارد که مردم به اندازه کافی آب خود را اندازه گیری نمی کنند، به ویژه در کشورهای در حال توسعه. و این به این دلیل است که آنها باید آب را جمع آوری کنند، نمونه را آماده کنند و آن را به این سازهای عظیم که بسیار گران هستند بیاورند. درعوض، «داشتن این دستگاه دستی، چیزی فشرده که حتی پرسنل آموزش ندیده نیز می‌توانند با هزینه‌های کم، آن را برای نظارت در محل به منبع بیاورند»، می‌تواند آزمایش‌های منظم و مداوم را امکان‌پذیر کند.

هو، که پروفسور جان اف. الیوت در علم و مهندسی مواد است، می‌گوید: “امیدوارم این به سرعت اجرا شود، بنابراین ما می‌توانیم به جامعه انسانی کمک کنیم. این نمونه خوبی از فناوری است که از یک نوآوری آزمایشگاهی به دست آمده است. ممکن است در واقع تأثیر بسیار ملموسی بر جامعه بگذارد که البته بسیار رضایت بخش است.”

این تیم شامل محققانی در MIT، در دانشگاه فناوری نانیانگ و آزمایشگاه‌های Temasek در سنگاپور، در دانشگاه ساوتهمپتون در بریتانیا، و در شرکت‌های Fingate Technologies، در سنگاپور، و Vulcan Photonics، مستقر در مالزی بود. این کار از امکانات MIT.nano، مرکز سیستم‌های مقیاس نانو دانشگاه هاروارد، مرکز میکرو و نانو الکترونیک NTU و مرکز نانوساخت نانیانگ استفاده کرد.

Materials provided by Massachusetts Institute of Technology