团队创建低成本的3D打印水污染传感器

格拉斯哥大学

其开发人员表示，一种新型的低成本3D打印水污染传感器可能会在环境监测领域引起轰动。

来自苏格兰，葡萄牙和德国大学的一组研究人员开发了该传感器，可以帮助检测水样中极低浓度的农药。

他们的工作在今天发表在《大分子材料与工程》杂志上的一篇新论文中概述，可以使水监测更快、更容易、更实惠。

农药广泛用于世界各地的农业，以防止作物损失。但是，需要小心处理它们，因为即使是少量泄漏到土壤，地下水或海水中也可能对人类，动物和环境健康有害。

定期环境监测对于大限度地减少水污染至关重要，以便在水样中检测到农药时迅速采取行动。目前，农药测试常在实验室环境中使用色谱和质谱等技术进行。

虽然这些测试提供了可靠和准确的结果，但它们既耗时又昂贵。一种有前途的替代方案是称为表面增强拉曼散射（SERS）的化学分析工具。

当光照射到分子时，它会以具有明显不同频率的方式散射，具体取决于分子的分子结构。SERS允许科学家通过分析分子如何散射光的独特“指纹”来检测和识别吸附在金属表面上的测试样品中残留的分子量。

通过改善金属表面使其能够吸附分子，可以增强效果，从而提高传感器检测样品中低浓度分子的能力。

研究小组着手开发一种新的，更便携的测试方法，可以使用负担得起的3D打印材料从水样中吸附分子，并在现场提供准确的初步结果。

为此，他们探索了几种不同类型的细胞结构，这些结构由聚丙烯和多壁碳纳米管的混合物制成。这些架构是使用熔融长丝制造生产的，这是一种常见的3D打印类型。

使用常见的湿化学方法在细胞结构的表面涂覆银和金纳米颗粒，以实现表面增强拉曼散射过程。

他们测试了3D打印细胞材料的几种不同架构设计吸收和吸附称为亚甲蓝的有机染料分子的能力，然后由便携式拉曼光谱仪进行分析。

这些初始测试中性能良好的材料 - 晶格（周期性细胞结构）设计与银纳米颗粒相结合 - 然后被添加到测试条中。将掺有少量杀虫剂（称为硫仑和百草枯）的海水和淡水样品滴到试纸上，进行SERS分析。

这些水来自葡萄牙阿威罗的一个河口和同一地区的水龙头 - 这些地方定期接受现实生活中的水污染监测测试。

研究人员发现，试纸能够以低至1微摩尔的浓度检测两种农药的分子 - 相当于一分子农药对一百万个水分子。

格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的Shanmugam Kumar教授是该论文的通讯作者之一。这项工作建立在他使用3D打印技术创建具有独特属性的纳米工程结构格子的研究基础上。

他说：“SERS是一种有价值的诊断技术，在各种不同的领域都有应用。我们开发的传感器基板材料受益于纳米碳工程架构晶格的大表面积和金属纳米颗粒的优异光学特性的良好组合。

“金属纳米颗粒中强大的局部电磁场与碳质材料的化学机制的相互作用为SERS分析创造了高度活跃的表面。

“这项初步研究的结果非常令人鼓舞，表明即使在非常低的浓度下，这些低成本材料也可用于生产用于SERS检测农药的传感器。

阿威罗大学CICECO Aveiro材料研究所的Sara Fateixa博士与人合著了这篇论文，并设计了使SERS技术成为可能的等离子体纳米颗粒。她说：“虽然本文研究了该系统检测特定类型水污染物的潜力，但该技术可以很容易地用于监测样品中各种化学物质的存在。

“例如，在农业中，正在从疾病中恢复的牛的牛奶，用抗生素治疗，直到药物离开他们的系统后才能出售。目前，证明他们的牛奶已准备好重返市场的测试价格昂贵，但我们的诊断材料可以进行调整，以更实惠的方式提供可靠的结果。

“我们期待继续开发这种非常有前途的传感器材料，用于SERS应用。

更多信息：Sara Fateixa 等人，支持增材制造的涂有等离子体纳米颗粒的架构纳米复合晶格用于水污染物检测，大分子材料和工程（2023 年）。

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