Forschungs-Team entwickelt kostengünstigen, 3D-gedruckten Sensor für Wasserqualität

Ein neuartiger, kostengünstiger 3D-gedruckter Sensor für die Messung der Wasserverschmutzung könnte laut seinen Entwickler*innen für Furore in der Umweltüberwachung sorgen.

Die Expert*innen aus Schottland, Portugal und Deutschland hoffen, mit diesem Gerät die Wasserüberwachung revolutionieren zu können.

Pestizide, weltweit in der Landwirtschaft verwendet, können bei unsachgemäßer Handhabung die Umwelt erheblich schädigen. Die regelmäßige Überwachung des Wassers ist daher von größter Wichtigkeit. Traditionelle Tests liefern zuverlässige Ergebnisse, sind jedoch teuer und zeitaufwändig. Die Forschenden haben eine alternative Methode namens oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) angewandt.

SERS identifiziert Moleküle anhand ihres einzigartigen “Fingerabdrucks”, der durch die Lichtstreuung erzeugt wird, wenn Licht auf sie trifft. Durch eine verbesserte Metalloberfläche, die Moleküle adsorbieren kann, lässt sich die Erkennungsfähigkeit des Sensors steigern.

Zu diesem Zweck untersuchten sie verschiedene Arten von zellulären Architekturen aus Mischungen von Polypropylen und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren. Die Architekturen wurden mit Hilfe von Fused Filament Fabrication, einer gängigen Art des 3D-Drucks, hergestellt.

Die Oberfläche der zellulären Architekturen wurde mit Silber- und Goldnanopartikeln beschichtet, wobei ein gängiger nasschemischer Ansatz verwendet wurde, um den Prozess der oberflächenverstärkten Raman-Streuung zu ermöglichen.

Sie testeten die Fähigkeit mehrerer unterschiedlicher Designs der 3D-gedruckten zellulären Materialien, Moleküle eines organischen Farbstoffs namens Methylenblau aufzunehmen und zu adsorbieren, bevor sie mit einem tragbaren Raman-Spektrometer analysiert wurden.

Das bei diesen ersten Tests am besten abschneidende Material – ein Gittermuster (periodische Zellarchitektur) in Kombination mit Silber-Nanopartikeln – wurde dann zu Teststreifen hinzugefügt. Proben von Meer- und Süßwasser, die mit geringen Mengen der echten Pestizide Thiram und Paraquat versetzt waren, wurden zur SERS-Analyse auf die Teststreifen getropft.

Die Forscher*innen fanden heraus, dass die Teststreifen in der Lage waren, Moleküle der beiden Pestizide in Konzentrationen von nur 1 mikromolar nachzuweisen – das entspricht einem Molekül Pestizid auf eine Million Moleküle Wasser.

Professor Shanmugam Kumar von der James Watt School of Engineering der Universität Glasgow, sagte: “SERS ist eine wertvolle Diagnosetechnik mit Anwendungen in vielen verschiedenen Bereichen. Das von uns entwickelte Sensor-Substratmaterial profitiert von einer optimalen Kombination aus der großen Oberfläche des aus Nanokohlenstoff gefertigten Gitters und den bemerkenswerten optischen Eigenschaften der metallischen Nanopartikel. Die Wechselwirkung des starken lokalen elektromagnetischen Feldes in den metallischen Nanopartikeln und den chemischen Mechanismen des kohlenstoffhaltigen Materials schafft eine hochaktive Oberfläche für die SERS-Analyse. Die Ergebnisse dieser ersten Studie sind sehr ermutigend und zeigen, dass diese kostengünstigen Materialien zur Herstellung von Sensoren für den SERS-Nachweis von Pestiziden selbst bei sehr niedrigen Konzentrationen verwendet werden können.”

Dr. Sara Fateixa vom CICECO Aveiro Institute of Materials der Universität Aveiro ist Mitautorin der Studie und hat die plasmonischen Nanopartikel entwickelt, die die SERS-Technik ermöglichen.

Dr. Fateixa sagte: “In dieser Arbeit wird zwar das Potenzial des Systems für den Nachweis bestimmter Arten von Wasserschadstoffen untersucht, doch könnte die Technik leicht für die Überwachung einer breiten Palette von Chemikalien in Proben angepasst werden. In der Landwirtschaft kann beispielsweise die Milch von Rindern, die sich von einer mit Antibiotika behandelten Krankheit erholen, erst dann verkauft werden, wenn das Medikament ihren Körper verlassen hat. Derzeit sind die Tests, mit denen nachgewiesen wird, dass die Milch wieder vermarktungsfähig ist, teuer, aber unsere Diagnosematerialien könnten so eingestellt werden, dass sie viel kostengünstiger zuverlässige Ergebnisse liefern. Wir freuen uns darauf, dieses vielversprechende Sensormaterial für den Einsatz in SERS-Anwendungen weiter zu entwickeln.”

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