Instrumentet kan muliggøre mail-in test til at detektere tungmetaller i vand

At føre, arsen, og andre tungmetaller er i stigende grad til stede i vandsystemer rundt om i verden på grund af menneskelige aktiviteter, såsom brug af pesticider og, for nylig, utilstrækkelig bortskaffelse af elektronisk affald. Kronisk eksponering for jævne sporniveauer af disse forurenende stoffer, ved koncentrationer af dele pr. milliard, kan forårsage invaliderende helbredstilstande hos gravide, børn, og andre sårbare befolkninger.

Overvågning af vand for tungmetaller er en formidabel opgave, imidlertid, især for ressourcebegrænsede regioner, hvor arbejdere skal samle mange liter vand og kemisk bevare prøver før de transporteres til fjerne laboratorier til analyse.

For at forenkle overvågningsprocessen, MIT -forskere har udviklet en tilgang kaldet SEPSTAT, til ekstraktion i fast fase, bevarelse, opbevaring, transport, og analyse af sporforurenende stoffer. Metoden er baseret på en lille, brugervenlig enhed holdet udviklede, som absorberer sporforurenende stoffer i vand og bevarer dem i tør tilstand, så prøverne let kan tabes i posten og sendes til et laboratorium for yderligere analyse.

Enheden ligner en lille, fleksibel propel, eller piskeris, som passer inde i en typisk prøveflaske. Når den drejes inde i flasken i flere minutter, instrumentet kan absorbere de fleste sporforurenende stoffer i vandprøven. En bruger kan enten lufttørre enheden eller slette den med et stykke papir, derefter flad den og send den i en konvolut til et laboratorium, hvor videnskabsmænd kan dyppe det i en opløsning af syre for at fjerne forureningerne og samle dem til yderligere analyse i laboratoriet.

"Vi designet oprindeligt dette til brug i Indien, men det har lært mig meget om vores egne vandproblemer og sporforurenende stoffer i USA, " siger enhedsdesigner Emily Hanhauser, en kandidatstuderende i MIT's afdeling for maskinteknik. "For eksempel, nogen, der har hørt om vandkrisen i Flint, Michigan, hvem vil nu vide, hvad der er i deres vand, måske en dag bestille noget som dette online, lave testen selv, og send det til et laboratorium. "

Hanhauser og hendes kolleger offentliggjorde for nylig deres resultater i tidsskriftet Miljøvidenskab og teknologi . Hendes MIT-medforfattere er Chintan Vaishnav fra Tata Center for Technology and Design og MIT Sloan School of Management; John Hart, lektor i maskinteknik; og Rohit Karnik, professor i maskinteknik og associeret afdelingsleder for uddannelse, sammen med Michael Bono fra Boston University.

Fra teposer til piskeris

Holdet satte sig oprindeligt for at forstå vandovervågningsinfrastrukturen i Indien. Millioner af vandprøver bliver indsamlet af arbejdere på lokale laboratorier rundt om i landet, som er udstyret til at udføre grundlæggende vandkvalitetsanalyser. Imidlertid, at analysere sporforurenende stoffer, arbejdere på disse lokale laboratorier skal kemisk konservere et stort antal vandprøver og transportere fartøjerne, ofte over hundreder af kilometer, til statens hovedstæder, hvor centraliserede laboratorier har faciliteter til korrekt at analysere sporforurenende stoffer.

"Hvis du samler mange af disse prøver og forsøger at bringe dem til et laboratorium, det er temmelig besværligt arbejde, og der er en betydelig transportbarriere, " siger Hanhauser.

For at effektivisere logistikken inden for vandovervågning, hun og hendes kolleger spekulerede på, om de kunne omgå behovet for at transportere vandet, og i stedet transportere forurenende stoffer selv i tør tilstand.

De fandt til sidst inspiration i tørre blodpletter, en simpel teknik, der går ud på at prikke en persons finger og samle en dråbe blod på et kort af cellulose. Når den er tørret, kemikalierne i blodet er stabile og bevarede, og kortene kan sendes til videre analyse, undgå behovet for at bevare og sende store mængder blod.

Teamet begyndte at tænke på et lignende indsamlingssystem til tungmetaller, og kiggede gennem litteraturen efter materialer, der både kunne absorbere sporforurenende stoffer fra vand og holde dem stabile, når de er tørre.

De slog sig til sidst på ionbytterharpikser, en klasse af materiale, der kommer i form af små polymerperler, flere hundrede mikrometer brede. Disse perler indeholder grupper af molekyler bundet til en hydrogenion. Når den dyppes i vand, brintet kommer af og kan udskiftes med en anden ion, såsom en tungmetalkation, der indtager brintens plads på perlen. På denne måde, perlerne kan absorbere tungmetaller og andre sporforurenende stoffer fra vand.

Forskerne ledte derefter efter måder at fordybe perlerne i vand, og først betragtet som et tepose-lignende design. De fyldte en netlignende lomme med perler og dunkede den i vand, de tilsatte tungmetaller. De fandt, selvom, at det tog dage for perlerne at absorbere forurenende stoffer tilstrækkeligt, hvis de simpelthen forlod teposen i vandet. Da de rørte teposen rundt, turbulens fremskyndede processen noget, men det tog stadig alt for lang tid for perlerne, pakket i en stor tepose, at absorbere forureningen.

Ultimativt, Hanhauser fandt ud af, at et håndholdt omrøringsdesign fungerede bedst til at optage metalforurenende stoffer i vand inden for en rimelig tid. Enheden er lavet af et polymernet skåret i flere propellignende paneler. Inden for hvert panel, Hanhauser håndsyede små lommer, som hun fyldte med polymerperler. Derefter syede hun hvert panel rundt om en polymerpind for at ligne en slags ægpisker eller piskeris.

Test af vandene

Forskerne fremstillede flere af enhederne, testede dem derefter på prøver af naturligt vand indsamlet omkring Boston, herunder Charles- og Mystic -floderne. De tilsatte prøverne med forskellige tungmetalforurenende stoffer, såsom bly, kobber, nikkel, og cadmium, stak derefter en enhed i flasken i hver prøve, og drejede den rundt i hånden for at fange og absorbere forureningen. De anbragte derefter enhederne på en tæller til tørring natten over.

For at genvinde forurenende stoffer fra enheden, de dyppede enheden i saltsyre. Hydrogenet i opløsningen fjerner effektivt alle ioner, der er knyttet til polymerperlerne, herunder tungmetaller, som derefter kan opsamles og analyseres med instrumenter som massespektrometre.

Forskerne fandt ud af, at ved at røre enheden i vandprøven, enheden var i stand til at absorbere og bevare omkring 94 procent af metalforureningen i hver prøve. I deres seneste forsøg, de fandt ud af, at de stadig kunne detektere forurenende stoffer og forudsige deres koncentrationer i de originale vandprøver, med et nøjagtighedsområde på 10 til 20 procent, selv efter at have opbevaret enheden i tør tilstand i op til to år.

Med en pris på mindre end $2, forskerne mener, at enheden kunne lette transporten af ​​prøver til centraliserede laboratorier, indsamling og opbevaring af prøver til fremtidig analyse, og indsamling af vandkvalitetsdata på en centraliseret måde, hvilken, på tur, kunne hjælpe med at identificere forureningskilder, vejledende politikker, og muliggøre forbedret vandkvalitetsstyring.