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3D-gedruckter Sensor erkennt niedrige Konzentrationen von Pestiziden und bietet eine kostengünstige und tragbare Lösung für die Wasserüberwachung.
Die Überwachung der Wasserverschmutzung ist für den Erhalt von Ökosystemen, den Schutz der menschlichen Gesundheit und die Gewährleistung einer nachhaltigen Nutzung der Wasserressourcen von größter Bedeutung. Um dies effektiv zu erreichen, sind jedoch fortschrittliche, tragbare Sensortechnologien erforderlich, die in der Lage sind, selbst kleinste Spuren von Schadstoffen zu erkennen.
Um diesem kritischen Bedarf gerecht zu werden, eine Studie veröffentlicht In Makromolekulare Materialien und Technik stellt einen bemerkenswerten Fortschritt in der Wasserverschmutzungserkennung dar. Darin berichten Forscher über die Entwicklung eines kostengünstigen und tragbaren 3D-gedruckten Sensors mit beispielloser Empfindlichkeit, der es ermöglicht, äußerst niedrige Konzentrationen von Pestiziden in Wasserproben zu erkennen.
„Im letzten Jahrzehnt wurden Anstrengungen unternommen, neuartige Nanomaterialien zu entwickeln, [3D printing] Techniken und billigere Systeme zur Überwachung und Dekontaminierung von Wasser“, sagte Shanmugam Kumar, Professor für Verbundwerkstoffe und fortschrittliche Fertigung an der James Watt School of Engineering der Universität Glasgow und einer der Hauptautoren der Studie.
“Wir haben gearbeitet [in this general area] seit mehreren Jahren und neuerdings auch als Roman [3D printing]-fähige oberflächenverstärkte Raman-Streuungssensoren (SERS) zur Erkennung von Schadstoffen wie Pestiziden, Antibiotika und Biomolekülen im Wasser“, fuhr er fort.
Erleichtert die Überwachung
Derzeit werden konventionelle Analysetechniken wie Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, Gaschromatographie und Massenspektrometrie zum Nachweis von Schadstoffen in vor Ort gesammelten Proben eingesetzt. Diese Methoden können jedoch teuer und manchmal zeitaufwändig sein und erfordern geschultes Personal für die Durchführung der Analyse.
Doch das Kooperationsteam mit Sitz in Schottland, Portugal und Deutschland wählte einen alternativen Ansatz. Sie wandten sich der SERS-Spektroskopie zu, einer Analysetechnik, die Informationen über die chemische Zusammensetzung liefert, indem sie das Licht analysiert, das Moleküle bei der Adsorption auf der Sensoroberfläche streuen.
„SERS ist eine zerstörungsfreie Vibrationstechnik, die Restmengen von interessierenden Molekülen mithilfe nanostrukturierter Materialien auf Basis plasmonischer Partikel wie Gold- und Silbernanopartikeln erkennt“, erklärte Sara Fateixa, Forscherin für plasmonische Nanostrukturen und Raman-Spektroskopie am CICECO Aveiro Institute of Materials an der Universität Aveiro.
Das Team wollte jedoch noch einen Schritt weiter gehen und die SERS-Geräte kompakter und tragbarer sowie empfindlicher machen, um selbst Spuren von Verunreinigungen aufzuspüren. Dazu mussten sie die Oberfläche des Detektors vergrößern, um dessen Fähigkeit zur Moleküladsorption zu erhöhen und so das Signal zu verstärken.
Sie erforschten periodische zelluläre Festkörper, sogenannte Gitter, die sich durch ihre poröse Architektur auszeichnen. Komplexe 3D-Gitter, die mehrere Funktionalitäten aufweisen können, lassen sich jedoch mit herkömmlichen Fertigungstechniken nur schwer realisieren.
„Gitter werden normalerweise so konstruiert, dass sie mechanische Leistungsmerkmale wie Energieabsorption, spezifische Steifigkeit oder spezifische Festigkeit verbessern“, sagte Kumar. „Obwohl solche maßgeschneiderten Gitter einstellbare mechanische Eigenschaften aufweisen, wurden ihre funktionellen Eigenschaften wie Selbsterkennung und Selbstheilung bisher selten erforscht.“
Die Gruppe kam zu dem Schluss, dass die Integration einer Sensorfunktion in diese Gitter es ermöglichen würde, als molekularer Detektor zu fungieren.
Ein tragbarer, 3D-gedruckter SERS-Detektor
Mithilfe des 3D-Drucks realisierte das Team das architektonische Design der Gitter mittels 3D-Druck. Sie wurden mit Silbernanopartikeln beschichtet, die als wirksame Adsorptionsmittel zum Einfangen und Identifizieren organischer Moleküle dienen. Dies geschieht hauptsächlich durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen der positiven Ladung organischer Farbstoffe und der negativen Ladung der metallischen Nanopartikeloberfläche.
„Die von uns entwickelten 3D-Architekturen profitieren von einer optimalen Kombination aus der großen Oberfläche des aus Nanokohlenstoff gefertigten Architekturgitters und den bemerkenswerten optischen Eigenschaften der metallischen Nanopartikel“, sagte Kumar. „Das Zusammenspiel der metallischen Nanopartikel und der chemischen Mechanismen des kohlenstoffhaltigen Materials schafft eine hochaktive Oberfläche für die SERS-Analyse. Dieser Zusammenhang eröffnet ein neues Forschungsfeld für die Entwicklung hybrider Sensoren, die nicht nur zur Erkennung von Wasserschadstoffen, sondern auch in anderen analytischen Kontexten eingesetzt werden können.“
Als Proof-of-Concept entwickelten sie einen Raman-Teststreifen, der geringe Konzentrationen der Pestizide Thiram und Paraquat in versetzten Wasserproben nachweisen konnte, darunter komplexe Quellen wie Aveiro-Mündungswasser und Leitungswasser. „Die Nachweisgrenze für Paraquat in beiden echten Wasserproben lag bei 1 µM, was zeigt, dass diese Hybridsensoren großes Potenzial für die SERS-Wasserqualitätsüberwachung vor Ort haben“, sagte das Team.
„Wir glauben, dass die von uns entwickelten Teststreifen vielversprechende SERS-Sensoren für die Kommerzialisierung und den Einsatz vor Ort zur Erkennung von Wasserschadstoffen sind“, fügte Kumar hinzu. „Die Ausweitung der Fertigung, die Herstellung wiederholbarer und zuverlässiger intelligenter Gitter und die Durchführung anwendungsabhängiger Feldtests sind die Hürden, die vor der Kommerzialisierung und breiten Anwendung überwunden werden müssen.“
Referenz: Sara Fateixa, Shanmugam Kumar, et al., Durch additive Fertigung ermöglichtes architektonisches Nanokompositgitter, beschichtet mit plasmonischen Nanopartikeln zur Erkennung von Wasserschadstoffen, Makromolekulare Materialien und Technik (2023). DOI: 10.1002/mame.202300060
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