El equipo crea bajo

5 de junio de 2023

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por la Universidad de Glasgow

Una nueva forma de sensor de contaminación del agua impreso en 3D y de bajo costo podría causar sensación en el mundo del monitoreo ambiental, dicen sus desarrolladores.

Un equipo de investigadores de universidades de Escocia, Portugal y Alemania desarrolló el sensor, que puede ayudar a detectar la presencia de concentraciones muy bajas de pesticidas en muestras de agua.

Su trabajo, descrito en un nuevo artículo publicado hoy en la revista Macromolecular Materials and Engineering, podría hacer que el monitoreo del agua sea más rápido, más fácil y más asequible.

Los plaguicidas se utilizan ampliamente en la agricultura de todo el mundo para evitar la pérdida de cultivos. Sin embargo, deben manipularse con cuidado, ya que incluso pequeños derrames en el suelo, las aguas subterráneas o el agua de mar pueden ser perjudiciales para la salud humana, animal y ambiental.

El monitoreo ambiental regular es de vital importancia para minimizar la contaminación del agua, lo que permite una acción rápida cuando se detecta la presencia de pesticidas en las muestras de agua. Actualmente, las pruebas de pesticidas se llevan a cabo con mayor frecuencia en entornos de laboratorio utilizando técnicas que incluyen cromatografía y espectrometría de masas.

Si bien estas pruebas brindan resultados confiables y precisos, requieren mucho tiempo y son costosas de realizar. Una alternativa prometedora es una herramienta de análisis químico llamada dispersión Raman mejorada en superficie, o SERS.

Cuando la luz golpea las moléculas, se dispersa de una manera que tiene frecuencias claramente diferentes según la estructura molecular de la molécula. SERS permite a los científicos detectar e identificar cantidades vestigiales de moléculas en muestras de prueba adsorbidas en una superficie metálica mediante el análisis de la "huella digital" única de cómo las moléculas dispersan la luz.

El efecto se puede mejorar mejorando la superficie del metal para que pueda adsorber las moléculas, aumentando la capacidad de los sensores para detectar bajas concentraciones de moléculas en las muestras.

El equipo de investigación se propuso desarrollar un método de prueba nuevo y más portátil que pudiera usar materiales impresos en 3D asequibles para adsorber moléculas de muestras de agua y brindar resultados iniciales precisos en el campo.

Para ello, exploraron varios tipos diferentes de arquitecturas celulares hechas de mezclas de polipropileno y nanotubos de carbono de paredes múltiples. Las arquitecturas se produjeron utilizando la fabricación de filamentos fusionados, un tipo común de impresión 3D.

La superficie de las arquitecturas celulares se recubrió con nanopartículas de plata y oro utilizando un enfoque químico húmedo común para permitir el proceso de dispersión Raman mejorado en la superficie.

Probaron la capacidad de varios diseños arquitectónicos diferentes de los materiales celulares impresos en 3D para absorber y adsorber moléculas de un tinte orgánico llamado azul de metileno, antes de que fueran analizados por un espectrómetro Raman portátil.

El material de mejor rendimiento de esas pruebas iniciales, un diseño de celosía (arquitectura celular periódica) combinado con nanopartículas de plata, se agregó luego a las tiras reactivas. Muestras de agua dulce y de mar enriquecidas con cantidades bajas de pesticidas reales llamados thiram y paraquat se colocaron en las tiras de prueba para el análisis SERS.

El agua se extrajo de un estuario en Aveiro, Portugal, y de grifos en la misma área, lugares que están sujetos a pruebas regulares de monitoreo de contaminación del agua en la vida real.

Los investigadores encontraron que las tiras reactivas eran capaces de detectar moléculas de ambos pesticidas en concentraciones tan bajas como 1 micromolar, equivalente a una molécula de pesticida por millón de moléculas de agua.

El profesor Shanmugam Kumar, de la Escuela de Ingeniería James Watt de la Universidad de Glasgow, es uno de los autores correspondientes del artículo. El trabajo se basa en su investigación sobre el uso de técnicas de impresión 3D para crear redes arquitectónicas de nanoingeniería con propiedades únicas.

Dijo: "SERS es una técnica de diagnóstico valiosa con aplicaciones en una amplia gama de campos diferentes. El material del sustrato del sensor que hemos desarrollado se beneficia de una combinación óptima de la gran área de superficie de la red arquitectónica diseñada con nanocarbono y las notables propiedades ópticas de las nanopartículas metálicas.

"La interacción del fuerte campo electromagnético local en las nanopartículas metálicas y los mecanismos químicos del material carbonoso crea una superficie altamente activa para el análisis SERS.

"Los resultados de este estudio inicial son muy alentadores y muestran que estos materiales de bajo costo pueden usarse para producir sensores para la detección de pesticidas mediante SERS incluso en concentraciones muy bajas".

La Dra. Sara Fateixa, del Instituto de Materiales CICECO Aveiro de la Universidad de Aveiro, es coautora del artículo y diseñó las nanopartículas plasmónicas que permiten la técnica SERS. Ella dijo: "Si bien este documento examina el potencial del sistema para detectar tipos específicos de contaminantes del agua, la técnica podría adaptarse fácilmente para monitorear la presencia de una amplia gama de productos químicos en las muestras.

"En la ganadería, por ejemplo, la leche del ganado, que se está recuperando de una enfermedad, que fue tratada con antibióticos, no se puede vender hasta después de que el medicamento haya salido de sus sistemas. Actualmente, las pruebas que prueban que su leche está lista para salir volver al mercado son costosos, pero nuestros materiales de diagnóstico podrían ajustarse para proporcionar resultados confiables de manera mucho más asequible.

"Esperamos continuar desarrollando este material de sensor muy prometedor para su uso en aplicaciones SERS".

Más información: Sara Fateixa et al, Lattices de nanocompuestos diseñados habilitados para la fabricación aditiva recubiertos con nanopartículas plasmónicas para la detección de contaminantes del agua, materiales macromoleculares e ingeniería (2023). DOI: 10.1002/mame.202300060

Proporcionado por la Universidad de Glasgow