Es gibt eine globale Wasserkrise, und dabei geht es nicht nur um die schwindende Versorgung mit sauberem Wasser. Verunreinigtes Trinkwasser setzt Hunderte Millionen Menschen weltweit Giftstoffen wie Bakterien, Schwermetallen, Pestiziden und Coronaviren aus. Diese Kontamination gefährdet die öffentliche Gesundheit und kann schwere Krankheiten verursachen.
Ein Forscherteam des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums hat zusammen mit der Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago und der University of Wisconsin-Milwaukee einen Weg für die Massenfertigung von Sensoren entwickelt, die gleichzeitig Blei erkennen können , Quecksilber und E. coli. in fließendem Leitungswasser. Die Innovation des Teams verspricht, zum Schutz der öffentlichen Gesundheit beizutragen, indem sie frühzeitig vor Kontaminationen warnt.
„Traditionell leiden Sensoren zur Messung von Verunreinigungen im Wasser unter Zuverlässigkeitsproblemen und der Unfähigkeit, fehlerhafte Geräte zu erkennen“, sagte der Argonne-Wissenschaftler Haihui Pu, der eine gemeinsame Stelle mit Pritzker Molecular Engineering von UChicago innehat. „Verbesserte Sensoren könnten Gesundheitskrisen abwenden.“
Das Herzstück dieser Sensoren ist eine ein Nanometer dicke Schicht aus Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen, eine Form von Graphen, die auf ein Siliziumsubstrat aufgetragen ist. Dieses Graphenmaterial erfüllt einen ähnlichen Zweck wie die Halbleiter in Computerchips. Anschließend werden Goldelektroden auf die Graphenoberfläche geprägt, gefolgt von einer nanometerdicken Isolierschicht aus Aluminiumoxid. Jeder Sensor ist darauf zugeschnitten, eines der drei Toxine zu erkennen: Blei, Quecksilber oder E. coli.
Eine der größten Herausforderungen bei der Massenfertigung dieser Sensoren war die Beurteilung ihrer Qualität. In der hauchdünnen Isolierschicht können sich winzige Bereiche unerwünschter Porosität bilden. Diese Porosität ermöglicht es Elektronen aus der unteren Graphenschicht in die obere Isolierschicht zu entweichen. Diese Leckage beeinträchtigt seine Wirksamkeit als Isolator und führt zu unzuverlässigen Sensorreaktionen.
Die jüngste Veröffentlichung des Teams in Naturkommunikation beschreibt eine Screening-Methode zur Identifizierung fehlerhafter Geräte vor der Massenproduktion. Bei dieser Methode wird die elektrische Reaktion der Isolierschicht gemessen, während der Sensor in Wasser eingetaucht ist. Wichtig ist, dass die Abschirmung den Sensor nicht beschädigt. Mithilfe dieser Technik identifizierte das Team strukturelle Defekte in den Isolierschichten. Anschließend konnten sie Kriterien festlegen, um fehlerhafte Geräte leicht zu erkennen.
Um die Wirksamkeit ihres Ansatzes zu demonstrieren, evaluierte das Team ein Drei-Sensor-Array, das gleichzeitig Blei, Quecksilber und E. coli in fließendem Leitungswasser erkennen kann. Mithilfe von Algorithmen für maschinelles Lernen zur Analyse der Ergebnisse konnten sie den Toxingehalt bis auf Teile pro Milliarde quantifizieren, selbst wenn störende Elemente vorhanden waren.
„Das Schöne an den Sensoren ist, dass man sie in jeder Form von Wasser anwenden kann, nicht nur in Leitungswasser“, sagte Junhong Chen, leitender Wasserstratege bei Argonne und Crown Family Professor bei Pritzker Molecular Engineering. „Darüber hinaus kann man drei, dreißig oder dreihundert Sensoren kombinieren, die jeweils auf die Erkennung unterschiedlicher Inhaltsstoffe zugeschnitten sind.“
Dazu gehören nicht nur Schwermetalle und Bakterien, sondern auch Arzneimittel, Pestizide, Coronaviren und eine häufige Verunreinigung im Wasser, Per- und Polyfluoralkylsubstanzen. Sie könnten auch kritische Ressourcen wie Kobalt für Batterien sowie Stickstoff und Phosphor als Nährstoffe für Pflanzen und Tiere umfassen.
Sobald problematische oder wertvolle Elemente identifiziert und entfernt werden, können die Sensoren zur Beurteilung der Sauberkeit des aufbereiteten Wassers verwendet werden. Die Ergebnisse können als Leitfaden für die sichere Wiederverwendung des Wassers dienen, einschließlich Trinkwassernutzung, Landwirtschaft und Bewässerung, Grundwasserauffüllung und Industrieprozessen.
Chen äußerte die Hoffnung, diese Technologie durch ein von ihm gegründetes Startup-Unternehmen kommerzialisieren zu können. „Aber die Wasserverschmutzung stellt ein globales Gesundheitsproblem dar, das gemeinsame Anstrengungen erfordert“, sagte er.
Die Screening-Methode des Teams bietet ein vielseitiges Werkzeug zur Überwachung der Wasserqualität und zur Optimierung ihrer sicheren Wiederverwendung. Während sich Wissenschaftler mit diesem kritischen Thema befassen, dienen ihre Bemühungen als Hoffnungsträger für eine gesündere und nachhaltigere Zukunft.
Mehr Informationen:
Arnab Maity et al., Skalierbares Graphen-Sensor-Array zur Echtzeitüberwachung von Toxinen in fließendem Wasser, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39701-0