Forscher haben einen neuen optischen Sensor entwickelt, der eine einfache Möglichkeit bietet, eine Echtzeit-Erkennung von extrem niedrigen Arsenniveaus in Wasser zu erreichen. Die Technologie könnte es den Haushaltstests für Arsen ermöglichen und Personen befähigen, ihre eigene Wasserqualität zu überwachen.
Die Arsenverschmutzung ist eine schwerwiegende Herausforderung für die Umwelt und öffentliche Gesundheit, die Millionen von Menschen auf der ganzen Welt betrifft. Diese Kontamination tritt auf, wenn natürliche geologische Prozesse Arsen aus Gesteinen und Boden in das Grundwasser freisetzen und durch Bergbau, Industrieabfallentsorgungsabbau und Verwendung von Pestiziden auf Arsenbasis verschärft werden können.
„Der Konsum von Arsen-kontaminiertem Wasser kann zu schwerwiegenden Gesundheitszuständen führen, einschließlich Arsenvergiftungen und Krebs der Haut, der Lunge, der Niere und der Blase“, sagte der leitende Forscher Sunil Khijwania vom Indian Institute of Technology Guwahati. „Durch die Erstellung eines sensiblen, selektiven, wiederverwendbaren und kostengünstigen Sensors möchten wir die Notwendigkeit eines zuverlässigen und benutzerfreundlichen Tools zur Routineüberwachung bewältigen, wodurch die Gemeinschaften vor den Risiken der Arsen-Exposition schützen können.“
Im Optica Publishing Group Journal Angewandt Optik, Die Forscher beschreiben ihren neuen Sensor, der eine optische Faser und ein optisches Phänomen verwendet, das als lokalisierte Oberflächenplasmonresonanz bekannt ist. Sie verwendeten es, um die Arsenwerte von nur 0,09 Teilen pro Milliarde (PPB) zu erfassen, 111 -mal niedriger als die maximal zulässige Grenze von 10 ppb, die von der Weltgesundheitsorganisation festgelegt wurden. Der Sensor zeigte auch zuverlässige Leistung, wenn er an realen Trinkwasserproben von verschiedenen Orten und Bedingungen getestet wurde.
„Der hochempfindliche Sensor liefert eine Analyse innerhalb von nur 0,5 Sekunden und zeigt ein hohes Maß an Wiederverwendbarkeit, Wiederholbarkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit, was es zu einem leistungsstarken Instrument zur Überwachung und Gewährleistung der sichereren Wasserqualität macht“, sagte Khijwania. „In Zukunft könnte diese Technologie es den Menschen viel einfacher machen, zu prüfen, ob ihr Trinkwasser sicher ist, was möglicherweise Leben rettet, indem sie die Exposition gegenüber schädlichen Arsenniveaus verhindert.“
Ein benutzerfreundlicher und dennoch genauer Sensor
Obwohl herkömmliche Spektroskopiemethoden zum Nachweis von Arsen sehr genau und empfindlich sind, erfordern sie in der Regel komplexe, sperrige und teure Geräte, die zeitaufwändig und kompliziert sind. Um diese kritische Lücke zu schließen, entwickelten die Forscher einen optischen Fasersensor, der nicht nur eine geringe Erkennungsgrenze aufweist, sondern auch kostengünstig und benutzerfreundlich genug ist, um die routinemäßige Arsenüberwachung in Trinkwasser zu überwachen.
Um den neuen Sensor zu machen, beschichteten die Forscher den Innenkern einer Faser mit Goldnanopartikeln und einer dünnen Schicht eines einzigartigen Nanokomposits, das aus Aluminiumoxid und Graphenoxid besteht, die selektiv an Arsenionen bindet. Ein Teil des Lichts, der durch den Kern fährt, erstreckt sich auch in die umgebende Faserverkleidung aufgrund der durch die gesamten interne Reflexion erzeugten Welle. Durch Entfernen der Verkleidung in einem kleinen Abschnitt der Faser ist die evaneszente Welle der Umwelt ausgesetzt.
Wenn Licht durch die optische Faser fasst, interagiert die evaneszente Welle mit Goldnanopartikeln und löst eine lokalisierte Oberflächenplasmonresonanz aus – ein Phänomen, bei dem Elektronen auf der Nanopartikeloberfläche gemeinsam als Reaktion auf bestimmte Lichtwellenlängen schwingen. Wenn Arsen vorhanden ist, binden Sie an die Nanokomposit, was zu einer messbaren Verschiebung der Oberflächenplasmonresonanzwellenlänge führt und eine genaue Nachweis von Spurenarsen in Wasser ermöglicht.
Gründliche Leistungsbewertung
Die Forscher testeten den Sensor unter Verwendung unterschiedlicher Konzentrationen von Arsen -Ion -Lösungen und stellten fest, dass er einen konsistenten und zuverlässigen Nachweis von Arsen im gesamten getesteten Konzentrationsbereich erzeugte. Nach zusätzlicher Optimierung testeten sie andere Parameter und zeigten, dass der Sensor sowohl bei niedrigen bis hohen als auch hohen Änderungen der Arsenionkonzentration konsistente Ergebnisse erzielte und eine schnelle Reaktionszeit von nur 0,5 Sekunden erreichte.
Der Sensor zeigte eine maximale Auflösung von ± 0,058 ppb Arsen und zeigte vernachlässigbare Variationen der Ergebnisse für Proben mit identischen Arsenkonzentrationen, die an vier Tagen über einen Zeitraum von 18 Tagen analysiert wurden. Die Forscher verglichen auch die Sensormessungen mit denen, die mit induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) erhalten wurden, die üblicherweise für Arsenmessungen verwendet wird. Der Sensor zeigte einen relativen prozentualen Unterschied von weniger als 5%, was auf eine starke Übereinstimmung zwischen den beiden Methoden hinweist.
Um die reale Anwendbarkeit des Sensors zu bewerten, testeten die Forscher sie an Trinkwasserproben, die von verschiedenen Orten in der Stadt Guwahati in Indien gesammelt wurden. Der Sensor hielt unter diesen unterschiedlichen Bedingungen eine zuverlässige Leistung bei.
„Diese Untersuchungen ergaben, dass der vorgeschlagene optische Fasersensor eine hochempfindliche, selektive, schnelle, kostengünstige, unkomplizierte und einfache Lösung für die Erkennung von Arsen unter realen Feldbedingungen bietet“, sagte Khijwania. „Langfristig könnte dieser neue Ansatz möglicherweise geändert werden, um eine neue Welle erschwinglicher und zugänglicher Umweltüberwachungsinstrumente zu erstellen.“
Die Forscher stellen fest, dass der Sensor zwar für die reale Verwendung bei der Erkennung von Arsen bereit ist, eine kostengünstigere und leichter zu verwendende optische Quelle und ein Detektor entwickelt werden müsste, um eine weit verbreitete Anwendung zu ermöglichen.
