Оптоволоконный датчик обеспечивает простое и чувствительное обнаружение мышьяка в питьевой воде
Исследователи разработали новый оптический датчик, который обеспечивает простой способ обнаружения в реальном времени крайне низких уровней мышьяка в воде. Технология может позволить проводить тестирование на мышьяк в домашних условиях, предоставляя людям возможность контролировать качество своей воды.
Загрязнение мышьяком является серьёзной проблемой для окружающей среды и общественного здравоохранения, которая затрагивает миллионы людей по всему миру. Это загрязнение происходит, когда естественные геологические процессы высвобождают мышьяк из горных пород и почвы в грунтовые воды и может усугубляться горнодобывающей промышленностью, утилизацией промышленных отходов и использованием пестицидов на основе мышьяка.
«Употребление воды, загрязненной мышьяком, может привести к серьёзным проблемам со здоровьем, включая отравление мышьяком и рак кожи, лёгких, почек и мочевого пузыря», — сказал ведущий исследователь Сунил Хиджвания из Индийского технологического института Гувахати. «Создавая чувствительный, селективный, многоразовый и экономически эффективный датчик, мы стремимся удовлетворить потребность в надежном и удобном инструменте для рутинного мониторинга, помогая защитить сообщества от рисков воздействия мышьяка».
В журнале Applied Optics исследователи описывают свой новый датчик, который использует оптическое волокно и оптическое явление, известное как локализованный поверхностный плазмонный резонанс. Они использовали его для обнаружения уровней мышьяка всего лишь 0,09 частей на миллиард (ppb), что в 111 раз ниже максимально допустимого предела в 10 ppb, установленного Всемирной организацией здравоохранения. Датчик также продемонстрировал надёжную работу при тестировании на реальных образцах питьевой воды из разных мест и условий.
«Высокочувствительный датчик обеспечивает анализ всего за 0,5 секунды и демонстрирует высокую степень повторного использования, повторяемости, стабильности и надежности, что делает его мощным инструментом для мониторинга и обеспечения более безопасного качества воды», — сказал Хиджвания. «В будущем эта технология может значительно облегчить людям проверку безопасности их питьевой воды, потенциально спасая жизни, предотвращая воздействие вредных уровней мышьяка».
Удобный и точный датчик
Хотя обычные спектроскопические методы обнаружения мышьяка очень точны и чувствительны, они, как правило, требуют сложного, громоздкого, дорогостоящего оборудования, которое требует много времени и сложно в использовании. Чтобы заполнить этот критический пробел, исследователи разработали оптоволоконный датчик, который не только имеет низкий предел обнаружения, но также экономически эффективен и достаточно удобен для рутинного мониторинга мышьяка в питьевой воде.
Для создания нового датчика исследователи покрыли внутреннюю сердцевину волокна золотыми наночастицами и тонким слоем уникального нанокомпозита, состоящего из оксида алюминия и оксида графена, который избирательно связывается с ионами мышьяка. Часть света, проходящего через сердцевину, также распространяется в окружающую оболочку волокна из-за затухающей волны, созданной полным внутренним отражением. При удалении оболочки с небольшого участка волокна затухающая волна подвергается воздействию окружающей среды.
При прохождении света через оптическое волокно затухающая волна взаимодействует с золотыми наночастицами, вызывая локализованный поверхностный плазмонный резонанс — явление, при котором электроны на поверхности наночастиц коллективно колеблются в ответ на определенные длины волн света. Если присутствует мышьяк, он будет связываться с нанокомпозитом, вызывая измеримый сдвиг длины волны поверхностного плазмонного резонанса и позволяя точно обнаруживать следы мышьяка в воде.
Тщательная оценка эффективности
Исследователи протестировали датчик, используя различные концентрации растворов ионов мышьяка, и обнаружили, что он обеспечивает стабильное и надёжное обнаружение мышьяка во всем диапазоне тестируемых концентраций. После дополнительной оптимизации они протестировали другие параметры, показав, что датчик обеспечивает стабильные результаты как при низких, так и при высоких и низких изменениях концентрации ионов мышьяка, а также достиг быстрого времени отклика всего в 0,5 секунды.
Датчик показал максимальное разрешение ± 0,058 ppb мышьяка и показал незначительные изменения в результатах для образцов с идентичными концентрациями мышьяка, проанализированных в четыре отдельных дня в течение 18-дневного периода. Исследователи также сравнили измерения датчика с измерениями, полученными с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS), которая обычно используется для измерений мышьяка. Датчик показал относительную процентную разницу менее 5%, что указывает на сильное согласие между двумя методами.
Чтобы оценить применимость датчика в реальных условиях, исследователи протестировали его на образцах питьевой воды, собранных в разных местах города Гувахати в Индии. Датчик сохранил надёжную работу в этих разнообразных условиях.
«Эти исследования установили, что предлагаемый оптоволоконный датчик предлагает высокочувствительное, селективное, быстрое, экономически эффективное, простое и лёгкое решение для обнаружения мышьяка в реальных полевых условиях», — сказал Хиджвания. «В долгосрочной перспективе этот новый подход потенциально может быть модифицирован для создания новой волны доступных и доступных инструментов мониторинга окружающей среды».
Исследователи отмечают, что, хотя датчик готов к реальному использованию для обнаружения мышьяка, для его широкого применения необходимо разработать менее дорогой и простой в использовании оптический источник и детектор.
Бессменный главный редактор, в незапамятные времена работал в издании РБК