مهندسان MIT، دانشگاه فناوری Nanitang و چندین شرکت فناوری فشرده و ارزانی را برای تشخیص و اندازه‌گیری غلظت سرب در آب توسعه داده‌اند که به طور بالقوه پیشرفت قابل توجهی را در رسیدگی به این مشکل دائمی بهداشت جهانی ممکن می‌سازد.
سازمان بهداشت جهانی تخمین می زند که 240 میلیون نفر در سراسر جهان در معرض آب آشامیدنی حاوی مقادیر خطرناک سرب سمی هستند که می تواند بر رشد مغز کودکان تأثیر بگذارد، باعث نقص های مادرزادی شود و باعث ایجاد انواع اثرات مخرب عصبی، قلبی و دیگر موارد شود. تنها در ایالات متحده، حدود 10 میلیون خانوار هنوز آب آشامیدنی خود را از طریق لوله های سربی دریافت می کنند.
جیا زو برایان سیا، محقق فوق دکتری در MIT و نویسنده ارشد مقاله در توصیف فناوری جدید، گفت: «این یک بحران بهداشت عمومی بدون رسیدگی است که منجر به مرگ بیش از 1 میلیون نفر در سال می شود.
اما آزمایش سرب در آب به تجهیزات گران قیمت و دست و پا گیر نیاز دارد و معمولاً روزها طول می کشد تا به نتیجه برسد. یا از نوارهای تست ساده استفاده می کند که به سادگی پاسخ بله یا خیر را به حضور 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 کم است که تشخیص آن دشوار است.
این سیستم جدید که می‌تواند ظرف 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 می‌گیرد، غلظت سرب را تا 1 قسمت در میلیارد، با دقت بالا شناسایی کند. این فناوری اندازه گیری های کمی را تقریباً آنی انجام می دهد و تنها به یک قطره آب نیاز دارد.
یافته ها در a کاغذی که امروز ظاهر می شود در دفتر خاطرات ارتباطات طبیعتتوسط Xia، یک دانشجوی کارشناسی ارشد MIT، و نویسنده اصلی لوئیجی رانو، پروفسور جوجون هو، و 12 نفر دیگر در MIT و سایر موسسات دانشگاهی و صنعتی.
این تیم به دنبال یافتن یک روش تشخیص ساده بر اساس استفاده از تراشه های فوتونیکی بود که از نور برای اندازه گیری استفاده می کند. بخش چالش برانگیز، یافتن راهی برای اتصال به سطح تراشه فوتونیک مولکول های حلقه ای شکل خاصی بود که به عنوان اترهای تاج شناخته می شوند و می توانند یون های خاصی مانند سرب را به دام بیندازند. پس از سال ها تلاش، آنها توانستند از طریق یک فرآیند شیمیایی به نام استریفیکاسیون فیشر به این اتصال دست یابند. سیا می گوید: «این یکی از پیشرفت های بزرگی است که ما در این فناوری به دست آورده ایم.
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 مرتبط باشد، مانند استخرهای باطله، دقت در 4 درصد است.
شیا می‌گوید: این دستگاه در آب با سطوح مختلف اسیدیته، از مقادیر pH 6 تا 8، کار می‌کند که “که اکثر نمونه‌های محیطی را پوشش می‌دهد.” آنها دستگاه را با آب دریا و همچنین آب لوله کشی آزمایش کردند و صحت اندازه گیری ها را تأیید کردند.
برای دستیابی به چنین سطوحی از دقت، آزمایش جریان به دستگاهی به نام طیف سنج جرمی پلاسما جفت شده القایی نیاز دارد. سیا می گوید: «این تنظیمات می توانند بزرگ و گران باشند. پردازش نمونه ممکن است روزها طول بکشد و به کادر فنی با تجربه نیاز دارد.
رانو می‌گوید در حالی که سیستم تراشه جدیدی که آنها توسعه داده‌اند «هسته 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 به شکلی قابل استفاده بسته‌بندی کنید. این شامل داشتن یک لیزر مبتنی بر تراشه کوچک است که به تراشه فوتونیک متصل است. او می گوید: «این یک موضوع طراحی مکانیکی، کمی طراحی نوری، کمی شیمی و درک زنجیره تامین است. او می‌گوید در حالی که این کار به زمان نیاز دارد، مفاهیم اساسی روشن هستند.
رانو می گوید که این سیستم می تواند برای شناسایی سایر آلاینده های مشابه در آب، از جمله کادمیوم، مس، لیتیوم، باریم، سزیم و رادیوم سازگار شود. این دستگاه را می‌توان با کارتریج‌های ساده‌ای استفاده کرد که می‌توان آنها را برای شناسایی عناصر مختلف تغییر داد، 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 در عوض آن را به این ابزارهای عظیم بیاورند که بسیار گران هستند، “با داشتن این دستگاه دستی، چیزی فشرده که حتی پرسنل آموزش ندیده نیز می توانند آن را به دستگاه بیاورند.” منبعی برای نظارت در محل و کم‌هزینه» می‌تواند آزمایش‌های منظم و مداوم را امکان‌پذیر کند.
هو، که پروفسور جان اف. الیوت در علوم و مهندسی مواد است، می‌گوید: «امیدوارم این به سرعت اجرا شود تا بتوانیم به جامعه بشری کمک کنیم. این نمونه خوبی از فناوری ناشی از یک نوآوری آزمایشگاهی است که در واقع می تواند تأثیر بسیار ملموسی بر جامعه داشته باشد که البته بسیار رضایت بخش است.»
هو وانگ، دانشیار علوم و مهندسی محیط زیست در دانشگاه هونان در چین می گوید: «اگر بتوان این تحقیق را به تشخیص همزمان چندین عنصر فلزی، به ویژه عناصر رادیواکتیو که در حال حاضر مورد توجه است، گسترش داد، پتانسیل آن بسیار زیاد خواهد بود. که با این کار ارتباطی نداشت.
وانگ می افزاید: «این تحقیق حسگری ایجاد کرد که قادر به تشخیص فورا غلظت سرب در آب است. این می تواند در زمان واقعی برای نظارت بر غلظت آلودگی سرب در فاضلاب تخلیه شده از صنایعی مانند باتری سازی و ذوب سرب استفاده شود و ایجاد سیستم های نظارت بر فاضلاب صنعتی را تسهیل کند. من فکر می‌کنم جنبه‌های نوآورانه و پتانسیل توسعه این تحقیق کاملاً ستودنی است.»
وانگ کیان، دانشمند اصلی مؤسسه تحقیقات مواد در سنگاپور، که او نیز با این کار مرتبط نبود، گفت: «توانایی تشخیص جامع، قابل حمل و کمی سرب عمدتاً به دلیل نگرانی های هزینه ای چالش برانگیز بوده است. این کار پتانسیل انجام این کار را در یک فرم فاکتور بسیار یکپارچه نشان می دهد و با تولید کم هزینه در مقیاس بزرگ سازگار است.
این تیم شامل محققانی از MIT، دانشگاه فناوری نانیانگ و آزمایشگاه‌های Temasek در سنگاپور، دانشگاه ساوتهمپتون در بریتانیا، و Fingate Technologies مستقر در سنگاپور و Vulcan Photonics مستقر در مالزی بود. این کار از امکانات MIT.nano، مرکز سیستم‌های مقیاس نانو دانشگاه هاروارد، مرکز میکرو و نانوالکترونیک NTU، و مرکز نانوساخت Nanyang استفاده کرد.
