Nano-velcro låser tungmetalmolekyler i sine greb

(Phys.org) – Forskere har udtænkt en enkel, system baseret på nanopartikler, at påvise kviksølv samt andre forurenende stoffer. Denne teknologi gør det muligt nemt og billigt at teste for disse stoffer i vand og, vigtigere, i den fisk, vi spiser. Dette vil blive offentliggjort i Naturmaterialer .

Kviksølv, når de dumpes i søer og floder, akkumuleres i fisk, og ender ofte på vores tallerkener. Et schweizisk-amerikansk team af forskere ledet af Francesco Stellacci ved Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) og Bartosz Grzybowski ved Northwestern University har udtænkt en enkel, billigt system baseret på nanopartikler, en slags nano-velcro, at opdage og fange dette giftige forurenende stof såvel som andre. Partiklerne er dækket af små hår, der kan gribe ind i giftige tungmetaller som kviksølv og cadmium. Denne teknologi gør det muligt nemt og billigt at teste for disse stoffer i vand og, vigtigere, i den fisk, vi spiser. Deres nye metode kan måle methylkviksølv, den mest almindelige form for kviksølvforurening, ved hidtil uset små atomolære koncentrationer. Systemet er skitseret i en artikel, der udkommer 9. september, 2012 i bladet Naturmaterialer .

Methyl kviksølv, giftig og svær at overvåge

Forskere er især interesserede i at påvise kviksølv. Dens mest almindelige form, methyl kviksølv, akkumuleres efterhånden som man går op i fødekæden, når sit højeste niveau i store rovfisk som tun og sværdfisk. I USA, Frankrig og Canada, offentlige sundhedsmyndigheder råder gravide kvinder til at begrænse fiskeforbruget, fordi kviksølv kan kompromittere udviklingen af ​​nervesystemet hos det udviklende foster.

"Problemet er, at de nuværende overvågningsteknikker er for dyre og komplekse, " forklarer Constellium Chair-holder hos EPFL og medforfatter Francesco Stellacci. "Vi tester med jævne mellemrum niveauer af kviksølv i drikkevand, og hvis disse resultater er gode, vi antager, at niveauerne er acceptable mellem disse testperioder." Men industriel udledning svinger.

En enkel, ny billig teknologi

Teknologien udviklet af det schweizisk-amerikanske team er enkel at bruge. En glasstrimmel dækket med en film af "behårede" nanopartikler dyppes i vandet. Når en ion - en positivt ladet partikel, såsom en methylkviksølv- eller cadmiumion – kommer ind mellem to hår, hårene lukker sig, indfangning af forurening.

En spændingsmåler afslører resultatet; jo flere ioner der er fanget i nano-velcroen, jo mere elektricitet vil den lede. Så for at beregne antallet af fangede partikler, alt man skal gøre er at måle spændingen over nanostrukturen.

Ved at variere længden af ​​nano-hårene, forskerne kan målrette sig mod en bestemt slags forurenende stof. "Proceduren er empirisk, " forklarer Stellacci. Methylkviksølv, heldigvis, har egenskaber, der gør det ekstremt nemt at fange uden ved et uheld at fange andre stoffer på samme tid; derfor er resultaterne meget pålidelige.

Det interessante aspekt ved denne tilgang er, at "læse"-glasstrimlen kunne koste mindre end 10 dollars, mens måleapparatet kun vil koste nogle få hundrede dollars. Analysen kan udføres i marken, så resultaterne er umiddelbart tilgængelige. "Med en konventionel metode, du skal sende prøver til laboratoriet, og analyseudstyret koster adskillige millioner dollars, " bemærker Stellacci.

Overbevisende test i Lake Michigan og Florida

Forskerne testede systemet i Lake Michigan, nær Chicago. På trods af det høje industriniveau i regionen, kviksølvniveauerne var ekstremt lave. "Målet var at sammenligne vores målinger med FDA-målinger udført ved hjælp af konventionelle metoder, " forklarer Stellacci. "Vores resultater faldt inden for et acceptabelt interval."

En myggefisk fra Everglades i Florida blev også testet. Denne art er ikke særlig højt i fødekæden og akkumulerer derfor ikke høje niveauer af kviksølv i sit væv. "Vi målte væv, der var blevet opløst i syre. Målet var at se, om vi kunne opdage selv små mængder." siger Bartosz Grzybowski, Burgess professor i kemi og direktør for Non-Equilibrium Energy Research Center ved Northwestern University. United States Geological Survey rapporterede næsten identiske resultater efter at have analyseret den samme prøve.

Fra kvante til rigtige applikationer

"Jeg synes, det er ret utroligt, " tilføjer Grzybowski, "hvordan de komplekse principper for kvantetunneling, der ligger til grund for vores enhed, omsættes til en så nøjagtig og praktisk nyttig enhed. Det er også bemærkelsesværdigt, at vores system - gennem nogle relativt simple kemiske modifikationer - let kan tilpasses til at opdage andre giftige arter" Forskere har allerede demonstreret påvisning af cadmium med en meget høj femtomolær følsomhed.

"Med denne teknologi, det vil være muligt at udføre test i meget større skala i felten, eller endda i fisk, før de bringes på markedet, " siger hovedforfatter Eun Seon Cho. Dette er en nødvendig folkesundhedsforanstaltning, i betragtning af methylkviksølvs giftige natur og den ekstremt komplekse måde, hvorpå det spredes i miljøet og akkumuleres i levende væv.