Inženjeri na MIT-u, Nanytang Technological University i nekoliko tvrtki razvili su kompaktnu i jeftinu tehnologiju za otkrivanje i mjerenje koncentracija olova u vodi, potencijalno omogućujući značajan napredak u rješavanju ovog trajnog globalnog zdravstvenog problema.

Svjetska zdravstvena organizacija procjenjuje da je 240 milijuna ljudi diljem svijeta izloženo pitkoj vodi koja sadrži nesigurne količine toksičnog olova, što može utjecati na razvoj mozga kod djece, uzrokovati urođene mane i proizvesti razne neurološke, srčane i druge štetne učinke. Samo u Sjedinjenim Američkim Državama, procjenjuje se da 10 milijuna kućanstava još uvijek dobiva pitku vodu kroz olovne cijevi.

„To je neriješena javnozdravstvena kriza koja dovodi do više od milijun smrti godišnje“, kaže Jia Xu Brian Sia, postdoktorant na MIT-u i glavni autor rada koji opisuje novu tehnologiju.

No testiranje na olovo u vodi zahtijeva skupu, glomaznu opremu i obično traje nekoliko dana da bi se dobili rezultati. Ili koristi jednostavne test trake koje samo otkrivaju prisutnost olova bez informacija o njegovoj koncentraciji. Trenutni propisi EPA zahtijevaju da pitka voda sadrži najviše 15 dijelova po milijardi olova, koncentraciju tako nisku da ju je teško otkriti.

Novi sustav, koji bi mogao biti spreman za komercijalnu primjenu unutar dvije do tri godine, mogao bi otkriti koncentracije olova čak do 1 dijela po milijardi, s visokom točnošću, koristeći jednostavan čip detektor smješten u ručnom uređaju. Tehnologija pruža gotovo trenutne kvantitativne mjere i zahtijeva samo kap vode.

Nalazi su opisani u radu objavljenom danas u časopisu Nature Communications, od strane Sia, MIT-ovog diplomskog studenta i glavnog autora Luigija Ranna, profesora Juejuna Hua i 12 drugih na MIT-u i drugim institucijama u akademskoj i industrijskoj zajednici.

Tim je pokušao pronaći jednostavnu metodu otkrivanja temeljenu na korištenju fotoničkih čipova, koji koriste svjetlost za obavljanje mjerenja. Izazov je bio pronaći način za pričvršćivanje određenih prstenastih molekula poznatih kao krunski eteri na površinu fotoničkog čipa, koje mogu uhvatiti specifične ione poput olova. Nakon godina truda, uspjeli su to postići kemijskim procesom poznatim kao Fischerova esterifikacija. „To je jedan od ključnih proboja koje smo postigli u ovoj tehnologiji“, kaže Sia.

Prilikom testiranja novog čipa, istraživači su pokazali da može otkriti olovo u vodi u koncentracijama niskim kao jedan dio po milijardi. Na mnogo višim koncentracijama, koje mogu biti relevantne za testiranje okolišnog zagađenja poput rudarskih otpadaka, točnost je unutar 4 posto.

Uređaj radi u vodi s različitim razinama kiselosti, u rasponu pH vrijednosti od 6 do 8, „što pokriva većinu okolišnih uzoraka“, kaže Sia. Testirali su uređaj s morskom vodom kao i vodom iz slavine, te su potvrdili točnost mjerenja.

Da bi postigli takvu razinu točnosti, trenutni testovi zahtijevaju uređaj nazvan maseni spektrometar s induktivno spregnutom plazmom. „Ti uređaji mogu biti veliki i skupi“, kaže Sia. Obrada uzoraka može trajati danima i zahtijeva iskusno tehničko osoblje.

Dok je novi sustav čipova koji su razvili „srž inovacije“, Ranno kaže, bit će potrebno dodatno raditi kako bi se to razvilo u integrirani, ručni uređaj za praktičnu upotrebu. „Za izradu stvarnog proizvoda, trebate ga pakirati u korisnički oblik,“ objašnjava. To bi uključivalo imati mali čip-laser povezan s fotoničkim čipom. „Riječ je o mehaničkom dizajnu, nekim optičkim dizajnom, kemiji i pronalaženju lanca opskrbe,“ kaže. Iako to traje, kaže, osnovni koncepti su jednostavni.

Sustav se može prilagoditi za otkrivanje drugih sličnih kontaminanata u vodi, uključujući kadmij, bakar, litij, barij, cezij i radij, kaže Ranno. Uređaj bi se mogao koristiti s jednostavnim ulošcima koji se mogu zamijeniti za otkrivanje različitih elemenata, svaki koristeći malo drugačije krunske etere koji mogu vezati specifičan ion.

„Problem je što ljudi ne mjere svoju vodu dovoljno često, posebno u zemljama u razvoju,“ kaže Ranno. „A to je zato što trebaju prikupiti vodu, pripremiti uzorak i odnijeti ga do tih ogromnih instrumenata koji su izuzetno skupi.“ Umjesto toga, „imati ovaj ručni uređaj, nešto kompaktno što čak i neobučeno osoblje može donijeti do izvora za terensko praćenje, po niskim troškovima,“ moglo bi omogućiti redovito, stalno široko testiranje.

Hu, koji je John F. Elliott profesor znanosti o materijalima i inženjerstvu, kaže, „Nadam se da će ovo biti brzo implementirano, kako bismo mogli koristiti ljudskom društvu. Ovo je dobar primjer tehnologije koja dolazi iz laboratorijske inovacije gdje može zapravo napraviti vrlo opipljiv utjecaj na društvo, što je naravno vrlo ispunjavajuće.“

„Ako se ovo istraživanje može proširiti na istovremeno otkrivanje više metalnih elemenata, posebno trenutno zabrinjavajućih radioaktivnih elemenata, njegov potencijal bi bio ogroman“, kaže Hou Wang, izvanredni profesor znanosti o okolišu i inženjerstva na Hunan University u Kini, koji nije bio povezan s ovim radom.

Wang dodaje, „Ovo istraživanje je razvilo senzor sposoban za trenutno otkrivanje koncentracije olova u vodi. Ovo se može koristiti u stvarnom vremenu za praćenje koncentracije zagađenja olovom u otpadnim vodama koje ispuštaju industrije poput proizvodnje baterija i taljenja olova, olakšavajući uspostavu sustava za praćenje industrijskih otpadnih voda. Mislim da su inovativni aspekti i razvojni potencijal ovog istraživanja vrlo pohvalni.“

Tim je uključivao istraživače na MIT-u, Nanyang Technological University i Temasek Laboratories u Singapuru, University of Southampton u Ujedinjenom Kraljevstvu, te tvrtke Fingate Technologies u Singapuru i Vulcan Photonics, sa sjedištem u Maleziji. Rad je koristio objekte u MIT.nano, Harvard University Center for Nanoscale Systems, NTU’s Center for Micro- and Nano-Electronics, i Nanyang Nanofabrication Center.

Istraživački tim uspio je integrirati različite discipline u razvoju ove tehnologije, kombinirajući fotoniku, kemiju i inženjering kako bi stvorio sustav koji je pristupačan i jednostavan za korištenje. Ključni izazov bio je stvaranje fotoničkih čipova koji mogu pouzdano mjeriti olovo u stvarnim uvjetima, što je zahtijevalo značajne inovacije u materijalima i procesima.

Krunski eteri korišteni u sustavu ključni su za hvatanje iona olova. Ove molekule imaju specifičan prstenasti oblik koji omogućava učinkovito vezanje za olovo, a proces Fischerove esterifikacije omogućuje njihovo stabilno pričvršćivanje na površinu čipa. Ovaj pristup omogućava visoku specifičnost i osjetljivost sustava, što je od presudne važnosti za detekciju niskih koncentracija olova u vodi.

Testiranja su pokazala da uređaj može raditi u različitim uvjetima, uključujući različite razine kiselosti i prisutnost drugih kontaminanata. Ovo je važno za primjenu u različitim okruženjima, od pitke vode do industrijskih otpadnih voda. Osim toga, sustav se može prilagoditi za detekciju drugih toksičnih metala, što ga čini izuzetno svestranim.

Jedan od najvažnijih aspekata ove tehnologije je njena pristupačnost i jednostavnost korištenja. Tradicionalne metode za detekciju olova zahtijevaju skupu i složenu opremu te obučeno osoblje, što ograničava njihovu primjenu, posebno u manje razvijenim područjima. Novi sustav, s druge strane, omogućava brza i točna mjerenja uz minimalne troškove i tehničku složenost.

Očekuje se da će komercijalna primjena ove tehnologije značajno poboljšati sposobnost praćenja i upravljanja zagađenjem vodom. Integracija u ručne uređaje omogućit će česta i rasprostranjena testiranja, što je ključno za rano otkrivanje i prevenciju zdravstvenih rizika povezanih s izloženošću olovu.

Razvoj ove tehnologije također otvara mogućnosti za daljnja istraživanja i inovacije. Postoji potencijal za proširenje funkcionalnosti uređaja na detekciju širokog spektra zagađivača, uključujući radioaktivne elemente, što bi imalo značajan utjecaj na industrijske i okolišne standarde. Korištenje fotoničkih čipova za različite analitičke primjene predstavlja značajan korak naprijed u području senzorske tehnologije.

Ovo istraživanje također pokazuje vrijednost interdisciplinarnog pristupa u razvoju novih tehnologija. Suradnja između različitih institucija i stručnjaka omogućila je rješavanje složenih problema i razvoj inovativnih rješenja koja mogu imati široku primjenu. Povezivanjem teorijskih spoznaja i praktičnih primjena, tim je uspio stvoriti sustav koji ne samo da poboljšava znanstvena razumijevanja već ima i stvarne društvene koristi.

Razvoj ove tehnologije predstavlja važan korak naprijed u borbi protiv zagađenja olovom i drugih toksičnih metala u vodi. Njena jednostavnost, pristupačnost i svestranost čine je idealnim rješenjem za široku primjenu, od ruralnih područja do industrijskih kompleksa. Tim na MIT-u i njihovim partnerima nastavlja raditi na usavršavanju i komercijalizaciji sustava, s ciljem poboljšanja javnog zdravlja i zaštite okoliša.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology