ساخت دستگاه حسگر نوری برای تشخیص مواد شیمیایی داخل آب

در این مطلب از اخبار علمی مجله استار بورس ساخت دستگاه حسگر نوری برای تشخیص مواد شیمیایی داخل آب را قرار دادیم . این دستگاه جدید که مجهز به یک حسگر و سنسور پیشرفته است به راحتی و سریع می تواند مواد شیمیایی در داخل آب را تشخیص دهد …

ساخت دستگاه حسگر نوری برای تشخیص مواد شیمیایی داخل آب

حسگر جدید می تواند مواد شیمیایی ابدی در آب را به سرعت و به راحتی تشخیص دهد

دانشمندان دانشگاه بریتانیایی بیرمنگام با همکاری موسسه فدرال تحقیقات و آزمایش مواد آلمان، یک حسگر نوری برای تشخیص “مواد شیمیایی برای همیشه” (PFAS) در آب ایجاد کردند.

PFAS مخفف ترکیبات per- و polyfluoroalkyl، گروهی از مواد شیمیایی است که به طور گسترده در محصولات مختلف صنعتی و مصرفی مانند ظروف نچسب، تجهیزات ضد آب در فضای باز، بسته بندی مواد غذایی و فوم آتش نشانی استفاده می شود.

این مواد دارای پیوندهای شیمیایی قوی هستند که آنها را در برابر آب و چربی مقاوم می کند و همین امر باعث حضور غالب آنها در بسیاری از محصولات شده است، اما این مزیت یک شمشیر دولبه است، زیرا از طرف دیگر پایداری فوق العاده ای به این مواد می دهد. محیط زیست است و به راحتی تجزیه نمی شود و می توانند در هوا و آب و خاک و موجودات زنده برای مدت بسیار طولانی باقی بمانند و به همین دلیل به آنها “مواد شیمیایی ابدی” می گویند.

مطالعات قرار گرفتن در معرض برخی از این مواد را با اثرات مضر سلامتی از جمله مشکلات رشد، اختلال در عملکرد سیستم ایمنی و افزایش خطر ابتلا به برخی از انواع سرطان مرتبط دانسته‌اند.بنابراین، تلاش‌هایی در سرتاسر جهان برای یافتن ابزارهایی برای شناسایی آنها در آب در حال انجام است. برای جلوگیری از یکی از راه های انتقال آنها به بدن باعث ایجاد این بیماری ها می شود. حسگر نوری که در مجله Analytical Chemistry گزارش شده، بخشی از این تلاش ها است.

آلاینده‌های محیطی ممکن است بر حساسیت و گزینش‌پذیری ابزارهای تحلیلی تأثیر بگذارند که منجر به چالش‌هایی در تمایز بین PFAS و سایر مواد می‌شود

چالش هایی که نیاز به راه حل جدید را ایجاد کرد

در سالهای گذشته چندین روش علمی و تحلیلی مختلف برای شناسایی این مواد در نمونه های محیطی مورد استفاده قرار گرفته است، اما ماهیت پیچیده مواد PFAS و استفاده گسترده از آن ها، چالش هایی را در تشخیص دقیق و اندازه گیری کمی آنها ایجاد می کند که این روش ها عبارتند از:

روش های تحلیلی:

روش‌های تحلیلی سنتی مانند کروماتوگرافی گازی و کروماتوگرافی مایع مورد استفاده قرار گرفته‌اند، اما تنوع PFAS و خواص شیمیایی متفاوت آن‌ها، توسعه یک روش واحد را که بتواند به طور موثر تشخیص دهد، دشوار کرده است.

تحلیل هدف:

برخی از تلاش‌ها بر روی ترکیبات PFAS خاص متمرکز شده‌اند، اغلب آن‌هایی که شناخته‌شده‌ترین یا کاربردهای صنعتی شناخته‌شده‌اند، و این رویکرد هدفمند آلاینده‌های نوظهور را نادیده گرفته است.

علاوه بر فقدان یک روش تحلیلی یکپارچه برای اندازه‌گیری، و علاقه به نظارت بر یک ماده به هزینه مواد دیگر، چالش‌هایی نیز وجود داشت:

1- سایر آلاینده‌های موجود در محیط ممکن است بر حساسیت و گزینش‌پذیری ابزارهای تحلیلی تأثیر بگذارند و منجر به ایجاد چالش‌هایی در تمایز بین PFAS و سایر مواد شود.
2- برخی از مواد PFAS در غلظت های بسیار کم در محیط یافت می شوند که مانع از تشخیص آنها با روش های سنتی می شود.
3- تنوع گسترده مواد PFAS دستیابی به تمام استانداردهای مرجع مربوط به کارهای تحلیلی را دشوار می کند.
4- روش های فعلی سخت اجرا می شوند، زمان زیادی می برد و گران هستند.

ماهیت پیچیده PFAS و استفاده گسترده از آنها چالش هایی را در تشخیص دقیق و کمی سازی آنها ایجاد کرده است

بر اساس این چالش‌ها، تیم تحقیقاتی دانشگاه بیرمنگام بریتانیا، با همکاری موسسه فدرال تحقیقات و آزمایش مواد آلمان، به نیاز خود به راه‌حلی نوآورانه پی بردند که پیاده‌سازی آسانی داشته باشد و بتواند مواد را حتی اگر در سطح پایینی قرار دارد شناسایی کند. غلظت، و انتخابی برای آن مواد نسبت به سایر آلاینده ها، و مهمتر از همه هزینه کمی است، که آنها را به حسگر نوری سوق داد.
سنسور نوری.. چگونه کار می کند؟

دستگاه جدید یک حسگر نوری است که در صورت قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش نور قرمز از خود ساطع می کند و تغییرات در سیگنال فلورسانس منتشر شده از فلز در حسگر نشان دهنده وجود مواد PFAS است.

با توجه به مطالعه، مکانیسم عملکرد این سنسور را می توان به شرح زیر ساده کرد:

مولکول های کوچک نور: تصور کنید که ما مولکول های کوچکی داریم که با تابش نور به آنها می درخشند، این مولکول ها از فلزی به نام ایریدیوم ساخته شده اند و دارای زنجیره های چربی دوست (زنجیره های هیدروکربنی به ترتیب 6 و 12 اتم کربن) هستند.
زنجیره های ویژه: این زنجیره ها مانند پنجه های مولکول هستند، به این معنی که به مولکول ها کمک می کنند ساختارهای خاصی را تشکیل دهند.
تشخیص PFAS: وقتی این مولکول‌ها را در آبی که حاوی PFAS است قرار می‌دهید، این مواد با مولکول‌ها تداخل پیدا می‌کنند و نحوه درخشش آنها را تغییر می‌دهند.
نور درخشان طولانی: چیزی که این مولکول ها را متمایز می کند این است که آنها برای مدت طولانی به درخشش خود ادامه می دهند و ما می توانیم مدت درخشش آنها را اندازه گیری کنیم و هرگونه تغییر در درخشش وجود مواد PFAS را به ما می گوید.
تکیه گاه طلا: این ذرات به سطحی از طلا می چسبند که به آن کمک می کند پایدار بماند و درخشندگی خود را از دست ندهد.

این حسگر بر پایه فلز ایریدیوم با زنجیرهای چربی دوست ساخته شده است و این دو روی یک صفحه طلا (شیمی تحلیلی) نصب شده اند.

تشخیص تا 220 میکروگرم

پروفسور زو پیکرامینو، پروفسور زو پیکرامینو، پروفسور شیمی معدنی و فوتوفیزیک، در بیانیه مطبوعاتی منتشر شده توسط دانشگاه بیرمنگام می گوید: «این حسگر قادر به تشخیص 220 میکروگرم PFAS در هر لیتر آب بود که برای فاضلاب صنعتی مناسب است. کار بیشتری مورد نیاز است.” بهینه سازی برای افزایش حساسیت برای تشخیص سطوح نانوگرم، به ویژه در آب آشامیدنی.”

Pickraminو اختراع خود را بسیار مهم توصیف می کند و می افزاید: “PFAS به دلیل خواص مفید در محیط های صنعتی استفاده می شود، به عنوان مثال در پارچه های مقاوم در برابر لک، اما اگر به طور ایمن دفع نشوند، این مواد شیمیایی یک خطر واقعی برای زندگی است.” این نمونه اولیه یک گام بزرگ به جلو در یافتن راهی موثر، سریع و دقیق برای تشخیص این آلودگی است که به محافظت از جهان طبیعی و به طور بالقوه تمیز نگه داشتن آب آشامیدنی ما کمک می کند.

پیشرفت در انتظار چالش طولانی برنامه است

به نوبه خود، وائل ابو المجد، استاد علوم شیمی در دانشگاه مصر آلمان، در گفت و گوی تلفنی با الجزیره نت، نتایج این مطالعه را که راه حلی برای چالش هایی که جامعه پژوهشی با آن مواجه شده است، ستود. برای سال‌ها، اما او تأکید کرد که این دستاورد باید در اندازه معمولی خود قرار گیرد، یعنی اینکه «نمی‌کند… «هنوز در چارچوب آزمایشگاهی است و برای کاربرد عملی در مقیاس بزرگ ارائه نشده است. ”

ابوالمجد می افزاید که سه سوال وجود دارد که باید در مطالعات بعدی به آنها پرداخته شود تا بتوان این حسگر را در محیط کاربردی عملی پذیرفت و این سوالات عبارتند از:

اول: فلز ایریدیوم درخشان در طول زمان چقدر پایدار است و عملکرد سنسور در شرایط مختلف محیطی چگونه حفظ می‌شود؟
دوم: آیا حسگر می تواند نتایج قابل اعتمادی را به طور مداوم در دوره های طولانی ارائه دهد؟
سوم: قابل حمل بودن حسگر برای اندازه گیری در محل، به ویژه در شرایطی که نیاز به پاسخ فوری دارد، چقدر امکان پذیر است؟

Knut Rorack، رئیس بخش سنجش شیمیایی و نوری در موسسه فدرال آلمان برای تحقیقات و آزمایش مواد، و یکی از محققین این مطالعه، قول می‌دهد که به این سؤالات بپردازد.

روراک در ادامه می‌گوید: «اکنون که نمونه اولیه تراشه حسگر داریم، قصد داریم آن را بهبود بخشیده و آن را قابل حمل و حساس‌تر کنیم تا بتوان از آن در محل ریزش استفاده کرد و وجود این مواد شیمیایی را در آب آشامیدنی تعیین کرد.» بیانیه مطبوعاتی