เซ็นเซอร์วัดคุณภาพน้ำ

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยในสกอตแลนด์ โปรตุเกส และเยอรมนี ได้พัฒนาเซนเซอร์ที่สามารถช่วยตรวจจับสารกำจัดศัตรูพืชในปริมาณความเข้มข้นต่ำมากในตัวอย่างน้ำได้
งานวิจัยของพวกเขา ซึ่งได้รับการอธิบายไว้ในบทความใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Polymer Materials and Engineering ในวันนี้ อาจทำให้การตรวจสอบคุณภาพน้ำรวดเร็ว ง่าย และประหยัดยิ่งขึ้น
สารกำจัดศัตรูพืชถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในภาคเกษตรกรรมทั่วโลกเพื่อป้องกันความเสียหายของพืชผล อย่างไรก็ตาม ต้องใช้ความระมัดระวัง เนื่องจากแม้การรั่วไหลเพียงเล็กน้อยลงสู่ดิน น้ำใต้ดิน หรือน้ำทะเล ก็อาจก่อให้เกิดอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ สัตว์ และสิ่งแวดล้อมได้

การตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อมอย่างสม่ำเสมอเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อลดการปนเปื้อนของน้ำ เพื่อให้สามารถดำเนินการแก้ไขได้อย่างทันท่วงทีเมื่อตรวจพบสารกำจัดศัตรูพืชในตัวอย่างน้ำ ปัจจุบัน การทดสอบสารกำจัดศัตรูพืชส่วนใหญ่มักทำในห้องปฏิบัติการโดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น โครมาโทกราฟีและแมสสเปกโทรเมตรี
แม้ว่าการทดสอบเหล่านี้จะให้ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือและแม่นยำ แต่ก็อาจใช้เวลานานและมีค่าใช้จ่ายสูงในการดำเนินการ ทางเลือกที่น่าสนใจอย่างหนึ่งคือเครื่องมือวิเคราะห์ทางเคมีที่เรียกว่า การกระเจิงรามานแบบเสริมพื้นผิว (SERS)
เมื่อแสงตกกระทบโมเลกุล แสงจะกระเจิงด้วยความถี่ที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลของโมเลกุลนั้น เทคนิค SERS ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับและระบุปริมาณโมเลกุลที่ตกค้างในตัวอย่างทดสอบที่ดูดซับอยู่บนพื้นผิวโลหะได้ โดยการวิเคราะห์ "ลายนิ้วมือ" เฉพาะของแสงที่กระเจิงจากโมเลกุลเหล่านั้น
สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของปรากฏการณ์นี้ได้โดยการปรับเปลี่ยนพื้นผิวโลหะเพื่อให้สามารถดูดซับโมเลกุลได้ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความสามารถของเซนเซอร์ในการตรวจจับโมเลกุลที่มีความเข้มข้นต่ำในตัวอย่างได้
ทีมวิจัยได้เริ่มพัฒนาวิธีการทดสอบแบบใหม่ที่มีขนาดกะทัดรัดและพกพาสะดวกยิ่งขึ้น ซึ่งสามารถดูดซับโมเลกุลลงในตัวอย่างน้ำโดยใช้วัสดุที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่มีอยู่ และให้ผลลัพธ์เบื้องต้นที่แม่นยำในภาคสนาม
เพื่อบรรลุเป้าหมายดังกล่าว พวกเขาได้ศึกษาโครงสร้างเซลล์หลายประเภทที่ทำจากส่วนผสมของโพลีโพรพีลีนและท่อนาโนคาร์บอนแบบหลายผนัง อาคารเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เส้นใยหลอมเหลว ซึ่งเป็นวิธีการพิมพ์ 3 มิติแบบทั่วไป
โดยใช้เทคนิคเคมีเปียกแบบดั้งเดิม อนุภาคนาโนเงินและทองคำจะถูกตกตะกอนลงบนพื้นผิวของโครงสร้างเซลล์ เพื่อให้เกิดกระบวนการกระเจิงรามานที่เพิ่มขึ้นบนพื้นผิว
พวกเขาได้ทดสอบความสามารถของโครงสร้างวัสดุเซลล์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติหลายแบบในการดูดซับและดูดกลืนโมเลกุลของสีย้อมอินทรีย์เมทิลีนบลู จากนั้นจึงวิเคราะห์โดยใช้เครื่องสเปกโทรเมตร Raman แบบพกพา
วัสดุที่ให้ผลลัพธ์ดีที่สุดในการทดสอบเบื้องต้น ได้แก่ โครงสร้างแบบตาข่าย (โครงสร้างเซลล์เป็นระยะ) ที่ยึดติดกับอนุภาคนาโนเงิน จากนั้นจึงนำไปเติมลงในแถบทดสอบ มีการเติมสารฆ่าแมลงจริง (ไซแรมและพาราควอต) ในปริมาณเล็กน้อยลงในตัวอย่างน้ำทะเลและน้ำจืด แล้วนำไปวางบนแถบทดสอบเพื่อวิเคราะห์ด้วยเทคนิค SERS
น้ำที่ใช้มาจากปากแม่น้ำในเมืองอาเวโร ประเทศโปรตุเกส และจากก๊อกน้ำในบริเวณเดียวกัน ซึ่งมีการตรวจสอบคุณภาพน้ำอย่างสม่ำเสมอเพื่อติดตามมลพิษทางน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ
นักวิจัยพบว่าแถบตรวจวัดสามารถตรวจจับโมเลกุลของสารกำจัดศัตรูพืชได้ 2 ชนิด ในความเข้มข้นต่ำถึง 1 ไมโครโมล ซึ่งเทียบเท่ากับโมเลกุลของสารกำจัดศัตรูพืช 1 โมเลกุลต่อโมเลกุลของน้ำ 1 ล้านโมเลกุล
ศาสตราจารย์ชานมูกัม คูมาร์ จากโรงเรียนวิศวกรรมเจมส์ วัตต์ มหาวิทยาลัยกลาสโกว์ เป็นหนึ่งในผู้เขียนบทความนี้ งานวิจัยนี้ต่อยอดจากงานวิจัยของเขาเกี่ยวกับการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเพื่อสร้างโครงสร้างตาข่ายระดับนาโนที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว
“ผลการศึกษาเบื้องต้นนี้เป็นที่น่าพอใจอย่างยิ่ง และแสดงให้เห็นว่าวัสดุราคาประหยัดเหล่านี้สามารถนำมาใช้ผลิตเซนเซอร์ SERS เพื่อตรวจจับสารกำจัดศัตรูพืชได้ แม้ในความเข้มข้นต่ำมาก”
ดร. ซารา ฟาเต็กซา จากสถาบันวัสดุศาสตร์ CICECO Aveiro แห่งมหาวิทยาลัยอาเวโร ซึ่งเป็นผู้ร่วมเขียนบทความ ได้พัฒนาอนุภาคนาโนพลาสมาที่รองรับเทคโนโลยี SERS แม้ว่าบทความนี้จะศึกษาความสามารถของระบบในการตรวจจับสารปนเปื้อนในน้ำบางชนิดโดยเฉพาะ แต่เทคโนโลยีนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการตรวจสอบการปนเปื้อนในน้ำโดยทั่วไปได้อย่างง่ายดาย