チームが低いものを生み出す

2023 年 6 月 5 日

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グラスゴー大学による

開発者らによると、3Dプリントで作られた新しい形式の低コスト水質汚染センサーは、環境監視の世界に一石を投じる可能性があるという。

スコットランド、ポルトガル、ドイツの大学の研究者チームがこのセンサーを開発した。このセンサーは、水サンプル中の非常に低濃度の農薬の存在を検出するのに役立つ。

本日、雑誌「Macromolecular Materials and Engineering」に掲載された新しい論文で概説されている彼らの研究により、水のモニタリングがより迅速、簡単、そして手頃な価格で実現できる可能性があります。

農薬は作物の損失を防ぐために世界中の農業で広く使用されています。 ただし、土壌、地下水、海水への少量の流出でも人間、動物、環境の健康に有害な可能性があるため、慎重に取り扱う必要があります。

定期的な環境モニタリングは水質汚染を最小限に抑えるために非常に重要であり、水サンプル中に農薬の存在が検出された場合に迅速な措置を可能にします。 現在、農薬検査は、クロマトグラフィーや質量分析などの技術を使用して実験室環境で行われることがほとんどです。

これらのテストは信頼性が高く正確な結果を提供しますが、実行には時間と費用がかかります。 有望な代替手段の 1 つは、表面増強ラマン散乱 (SERS) と呼ばれる化学分析ツールです。

光が分子に当たると、分子の分子構造に応じて明らかに異なる周波数で散乱します。 SERS を使用すると、科学者は、分子がどのように光を散乱させるかについての固有の「指紋」を分析することにより、金属表面に吸着された試験サンプル中の残留量の分子を検出および識別することができます。

この効果は、金属表面を改善して分子を吸着できるようにすることで強化され、サンプル中の低濃度の分子を検出するセンサーの能力が高まります。

研究チームは、手頃な価格の 3D プリント材料を使用して水サンプルから分子を吸着し、現場で正確な初期結果を提供できる、よりポータブルな新しい検査方法の開発に着手しました。

そうするために、彼らはポリプロピレンと多層カーボンナノチューブの混合物から作られたいくつかの異なるタイプのセル構造を調査した。 アーキテクチャは、一般的なタイプの 3D プリンティングである溶融フィラメント製造を使用して製造されました。

細胞構造の表面は、一般的な湿式化学的アプローチを使用して銀および金のナノ粒子でコーティングされ、表面増強ラマン散乱プロセスが可能になりました。

彼らは、携帯用ラマン分光計で分析する前に、3D プリントした細胞材料のいくつかの異なる設計が、メチレン ブルーと呼ばれる有機色素の分子を取り込み、吸着する能力をテストしました。

これらの最初のテストで最も優れた性能を示した材料、つまり銀ナノ粒子と組み合わせた格子 (周期的細胞構造) デザインが、その後テストストリップに追加されました。 チラムとパラコートと呼ばれる本物の殺虫剤を少量添加した海水と淡水のサンプルを、SERS 分析用のテストストリップ上に滴下しました。

水はポルトガルのアベイロにある河口と、実際の水質汚染監視テストが定期的に行われている同じ地域の蛇口から汲み上げられました。

研究者らは、テストストリップが 1 マイクロモルという低濃度でも両方の農薬の分子を検出できることを発見しました。これは、農薬 1 分子から水 100 万分子に相当します。

グラスゴー大学ジェームズ・ワット工学部のシャンムガム・クマール教授は、この論文の責任著者の一人である。 この研究は、3D プリンティング技術を使用して、ユニークな特性を持つナノ工学構造の格子を作成するという彼の研究に基づいています。

同氏は、「SERSは、さまざまな分野に幅広く応用できる貴重な診断技術です。私たちが開発したセンサー基板材料は、ナノカーボンで設計された構造格子の大きな表面積と、その顕著な光学特性の最適な組み合わせによる恩恵を受けています」と述べた。金属ナノ粒子です。

「金属ナノ粒子内の強力な局所電磁場と炭素質材料の化学機構の相互作用により、SERS 分析用の高度に活性な表面が形成されます。

「この初期研究の結果は非常に心強いものであり、これらの低コストの材料を使用して、非常に低濃度であっても農薬のSERS検出用センサーを製造できることを示しています。」

アベイロ大学 CICECO アベイロ材料研究所の Sara Fateixa 博士は、この論文の共著者であり、SERS 技術を可能にするプラズモニック ナノ粒子を設計しました。 彼女は、「この論文では特定の種類の水質汚染物質を検出するシステムの可能性を検討していますが、この技術はサンプル中の広範囲の化学物質の存在を監視するために簡単に応用できる可能性があります。」

「例えば、農業では、抗生物質で治療された病気から回復中の牛の牛乳は、抗生物質が体内から排出されるまで販売できません。現在、その牛乳を証明する検査が準備が整っています。市場に戻ると高価ですが、当社の診断材料を調整すれば、より手頃な価格で信頼できる結果が得られる可能性があります。

「私たちは、SERS アプリケーションで使用するために、この非常に有望なセンサー材料の開発を続けることを楽しみにしています。」

詳しくは： Sara Fateixa et al、Additive Manufacturing-Enabled Architected Nanocomposite Lattices Coated with Plasmonic Nanoparticles for Water Pollutants Detection、高分子材料と工学 (2023)。 DOI: 10.1002/mame.202300060

グラスゴー大学提供