Cảm biến chất lượng nước

Một nhóm các nhà nghiên cứu từ các trường đại học ở Scotland, Bồ Đào Nha và Đức đã phát triển một cảm biến có thể giúp phát hiện sự hiện diện của thuốc trừ sâu ở nồng độ rất thấp trong các mẫu nước.
Công trình nghiên cứu của họ, được mô tả trong một bài báo mới được công bố hôm nay trên tạp chí Polymer Materials and Engineering, có thể giúp việc giám sát nước trở nên nhanh hơn, dễ dàng hơn và tiết kiệm chi phí hơn.
Thuốc trừ sâu được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp trên toàn thế giới để ngăn ngừa thiệt hại mùa màng. Tuy nhiên, cần phải hết sức thận trọng, vì ngay cả một lượng nhỏ rò rỉ vào đất, nước ngầm hoặc nước biển cũng có thể gây hại cho sức khỏe con người, động vật và môi trường.

Việc giám sát môi trường thường xuyên là rất cần thiết để giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước, từ đó có thể kịp thời xử lý khi phát hiện thuốc trừ sâu trong mẫu nước. Hiện nay, việc kiểm tra thuốc trừ sâu thường được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm bằng các phương pháp như sắc ký và phổ khối lượng.
Mặc dù các xét nghiệm này cung cấp kết quả đáng tin cậy và chính xác, nhưng chúng có thể tốn thời gian và chi phí để thực hiện. Một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn là công cụ phân tích hóa học được gọi là tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS).
Khi ánh sáng chiếu vào một phân tử, nó sẽ tán xạ ở các tần số khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc phân tử của phân tử đó. Kỹ thuật SERS cho phép các nhà khoa học phát hiện và xác định lượng phân tử còn sót lại trong mẫu thử được hấp phụ trên bề mặt kim loại bằng cách phân tích "dấu vân tay" độc đáo của ánh sáng tán xạ từ các phân tử.
Hiệu ứng này có thể được tăng cường bằng cách điều chỉnh bề mặt kim loại để nó có thể hấp thụ các phân tử, từ đó cải thiện khả năng phát hiện nồng độ thấp của các phân tử trong mẫu.
Nhóm nghiên cứu đã đặt mục tiêu phát triển một phương pháp thử nghiệm mới, dễ mang theo hơn, có khả năng hấp thụ các phân tử vào mẫu nước bằng cách sử dụng các vật liệu in 3D có sẵn và cung cấp kết quả ban đầu chính xác tại hiện trường.
Để làm được điều đó, họ đã nghiên cứu một số loại cấu trúc tế bào khác nhau được tạo ra từ hỗn hợp polypropylen và ống nano carbon đa vách. Các công trình này được tạo ra bằng cách sử dụng sợi nhựa nóng chảy, một loại in 3D phổ biến.
Sử dụng các kỹ thuật hóa học ướt truyền thống, các hạt nano bạc và vàng được lắng đọng trên bề mặt cấu trúc tế bào để kích hoạt quá trình tán xạ Raman tăng cường bề mặt.
Họ đã thử nghiệm khả năng hấp thụ và hấp phụ các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ methylene blue của một số cấu trúc vật liệu tế bào in 3D khác nhau, sau đó phân tích chúng bằng máy quang phổ Raman cầm tay.
Các vật liệu cho kết quả tốt nhất trong các thử nghiệm ban đầu – các thiết kế mạng lưới (cấu trúc tế bào tuần hoàn) liên kết với các hạt nano bạc – sau đó được thêm vào que thử. Một lượng nhỏ thuốc trừ sâu thực tế (Siram và paraquat) được thêm vào các mẫu nước biển và nước ngọt rồi đặt lên que thử để phân tích SERS.
Nước được lấy từ cửa sông ở Aveiro, Bồ Đào Nha, và từ các vòi nước trong cùng khu vực, được kiểm tra thường xuyên để giám sát hiệu quả tình trạng ô nhiễm nước.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các dải thử nghiệm có khả năng phát hiện hai phân tử thuốc trừ sâu ở nồng độ thấp tới 1 micromol, tương đương với một phân tử thuốc trừ sâu trên một triệu phân tử nước.
Giáo sư Shanmugam Kumar, đến từ Trường Kỹ thuật James Watt thuộc Đại học Glasgow, là một trong những tác giả của bài báo. Công trình này dựa trên nghiên cứu của ông về việc sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra các cấu trúc mạng lưới nano được thiết kế với các đặc tính độc đáo.
“Kết quả của nghiên cứu sơ bộ này rất đáng khích lệ và cho thấy rằng các vật liệu giá rẻ này có thể được sử dụng để sản xuất cảm biến SERS nhằm phát hiện thuốc trừ sâu, ngay cả ở nồng độ rất thấp.”
Tiến sĩ Sara Fateixa từ Viện Vật liệu CICECO Aveiro thuộc Đại học Aveiro, đồng tác giả của bài báo, đã phát triển các hạt nano plasma hỗ trợ công nghệ SERS. Mặc dù bài báo này xem xét khả năng của hệ thống trong việc phát hiện các loại chất gây ô nhiễm nước cụ thể, công nghệ này có thể dễ dàng được áp dụng để giám sát sự hiện diện của các chất gây ô nhiễm trong nước.