Kaffe-ring effekt udnyttet til at give hurtig, lavprisanalyse af postevand

"Hvad er der i dit vand?" er blevet et mere og mere fyldt spørgsmål for mange mennesker i USA og rundt om i verden. Det er ikke altid nemt eller billigt at få svaret. I dag, videnskabsmænd rapporterer, at de bruger den velkendte "kaffe-ring-effekt" til nemt at analysere flere komponenter i en enkelt dråbe vand, hurtigt og billigt. Og en dag, offentligheden kunne bruge metoden til at teste deres eget postevand.

Forskerne præsenterer deres arbejde i dag ved det 254. nationale møde og udstilling i American Chemical Society (ACS).

I en nøddeskal, kafferingeffekten er det velkendte fænomen, hvor partiklerne i en dråbe vand har en tendens til at koncentrere sig rundt om dråbens kanter, når vandet fordamper. "Men de mønstre, som kafferingeffekten efterlader til prøvevand fra den virkelige verden, er mere indviklede og unikke for hver vandkilde, " siger Rebecca Lahr, Ph.D. "Der er en forbløffende mængde information at analysere. Restmønstrene for postevand er som fingeraftryk, der kan bruges til at identificere, hvad der er i en prøve."

Lahr påpeger, at bekymringer for folkesundheden først kom til udtryk i de senere år i byer som Flint, Michigan; Washington, D.C.; Toledo, Ohio; og Charleston, West Virginia, efter at folk har indtaget forurenet postevand. Disse erfaringer viser behovet for forbedrede teknikker til overvågning af vandkvaliteten, hun siger.

Lahr har studeret kaffering-effekten, siden hun arbejdede på sin ph.d. afhandling, oprindeligt brugte det til at koncentrere toksiner i vand til efterfølgende spektroskopisk analyse. Nu, hun anvender det i sit laboratorium på Michigan State University for at hjælpe offentligheden med at lære mere om væsken, der kommer fra deres vandhaner. Det viser sig, at det unikke mønster, som en vandprøve efterlader, giver information om vandets indhold og egenskaber - opløste faste stoffer, hårdhed, alkalinitet og metalioner, for eksempel. At bestemme hver af disse elementer i en prøve krævede traditionelt en anden analysemetode. Omkostningerne ved disse individuelle test stiger. "Hvis du er bekymret for dit drikkevand, det kan være overvældende at se på en gebyrplan for vandtestning for at beslutte, hvilke vandtest der skal køres, " påpeger Lahr. "Du skal vide, hvad du leder efter på forhånd."

For at udføre kafferinganalysen, Lahr, kandidatstuderende Xiaoyan Li, og studerende Selett Allen og Alyssa Sanderson tørrede dråber af forskellige postevandsprøver på billige aluminiumssubstrater. Derefter, de fotograferede den resulterende kaffering-effekt med en mobiltelefon gennem en billig guldsmeds lupe. Efter mange eksperimenter, de opnåede reproducerbare restmønstre for postevand fra samfund på tværs af det sydlige Michigan. De skabte også syntetiske postevandsløsninger til at efterligne lokalt postevand med varierende mængder af hårdhed, alkalitet, natrium, klorid, sulfat, totalt opløste faste stoffer, jern og kobber.

Målet, Lahr siger, "er at skabe et bibliotek af mønstre produceret af kafferingeffekterne for kendte vandprøver, der kan bruges til at identificere mønstrene fra ukendte prøver." Hun arbejder også på programmer til at automatisere sammenligning af ukendte vandprøver til biblioteket.

Så, kunne kaffering-effekten have været brugt til at identificere problemet med blyforurening af Flint-vandforsyningen? "Det er for tidligt at sige, " Lahr svarer. "Ideen her er at udvikle en hurtigere og billigere måde at screene prøver for at hæve røde flag, når der skulle udføres yderligere analyser. Denne metode vil ikke have samme følsomhed som standard analytiske teknikker, men det er meget billigere."

Hun bemærker, at kaffering-effekten også kan bruges i klasseværelserne som en måde at få eleverne til at begejstre for miljøvidenskab. "Jeg er overrasket over, hvor kraftfuldt det er som et pædagogisk værktøj, " siger hun. "Eleverne medbringer deres egne prøver og ser hurtigt forskellene i de efterladte mønstre."