يعيش حوالي 785 مليون شخص دون الحصول على مياه شرب آمنة ونظيفة ؛ تعرض 140 مليون شخص في أكثر من 50 دولة لمياه ملوثة بالزرنيخ ". كانت هذه البيانات الافتتاحية الصارخة من محمد عباسيتحدث في الآونة الأخيرة اجتماع آذار / مارس APS.
يعد التسمم بالزرنيخ أحد أهم مخاوف الصحة العامة في جميع أنحاء العالم. يستخدم الزرنيخ في أشباه الموصلات ، والمستحضرات الصيدلانية ، والمواد الحافظة للأخشاب ، والمبيدات الحشرية وأعلاف الدجاج ، ويتسرب إلى المياه الجوفية. يمكن أن يؤدي التعرض طويل الأمد إلى الإصابة بسرطان الكلى والكبد والرئتين والجلد ، فضلاً عن التسبب في أمراض جلدية ومشاكل صحية أخرى مثل أمراض القلب الناتجة عن ارتفاع ضغط الدم. على هذا النحو ، توصي منظمة الصحة العالمية ووكالة حماية البيئة بحد أقصى قدره 10 ميكروغرام / لتر من الزرنيخ في مياه الشرب.
على الرغم من هذه المخاوف الصحية الخطيرة ، يتطلب اختبار الزرنيخ في الماء حاليًا أدوات معملية باهظة الثمن لا يمكن استخدامها للكشف في الموقع وغير مناسبة للدول النامية. عباس وزملائه في لومس نأمل في باكستان معالجة هذا النقص من خلال تصميم جهاز استشعار منخفض التكلفة يمكنه اكتشاف الزرنيخ في مياه الشرب. وقال: "نهدف إلى تطوير جهاز استشعار حساس وانتقائي وقوي وموثوق وبأسعار معقولة ومحمول وسهل الاستخدام للفنيين المحليين".
سيعتمد المستشعر على جزيئات الذهب النانوية (AuNPs) ، وهي مرشحة ممتازة لتطبيقات الاستشعار حيث تمتص الطيف المرئي وتغير اللون وفقًا لحجمها وشكلها وكيمياء السطح. لإنشاء جهاز الاستشعار الخاص بهم ، قام عباس وزملاؤه بتغليف AuNPs بحمض ثنائي هيدروليبويك. يعمل هذا الطلاء على تثبيت الجسيمات النانوية ، التي تتشكل في حالة تشتت في الماء ولونها أحمر نبيذ. لا تؤثر إضافة المنحل بالكهرباء مثل الملح على AuNPs ، والتي تظل مشتتة وتظل حمراء.
إذا كان الماء يحتوي على الزرنيخ ، فإن الزرنيخ سيرتبط بحمض ثنائي هيدروليبويك ، مما يجعله غير متوفر لحماية أسطح AuNPs. في هذا السيناريو ، تؤدي إضافة الملح إلى تجميع AuNPs وتغيير اللون. أوضح عباس ، وهو الآن طالب دكتوراه في جامعة تكساس في دالاس.
لاختبار هذا النهج ، أجرى الفريق التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية على محاليل AuNP التي تحتوي على تركيزات مختلفة من الزرنيخ. قال عباس: "يمكننا أن نرى تغيرًا في اللون البصري مع زيادة كميات الزرنيخ ، مع تغير الجسيمات النانوية من الأحمر إلى الأزرق". أكد مسح صور المجهر الإلكتروني لـ AuNPs قبل وبعد إضافة الزرنيخ آلية التكتل التي تسببت في تغيير اللون.
كان حد اكتشاف المستشعر 50 ميكروغرام / لتر (50 جزءًا في المليار) من الزرنيخ عند النظر إليه بالعين المجردة ، أو 3 ميكروغرام / لتر باستخدام التحليل الطيفي المرئي للأشعة فوق البنفسجية. هذه الحساسية أقل من تلك التي توفرها الأساليب الحالية عالية التقنية ، مثل مطيافية التألق الذري أو مطيافية الامتصاص الذري أو قياس الطيف الكتلي ، والتي يمكنها اكتشاف ما يصل إلى أجزاء لكل تريليون من الزرنيخ. لكن عباس يؤكد أن هذه الأنظمة مكلفة وليست محمولة وتحتاج إلى موظفين مدربين لتشغيلها.
"طريقة قياس الألوان ميسورة التكلفة وقابلة للحمل. حد الاكتشاف أقل في الوقت الحالي ، لكن يمكن تحسينه ".
حقق الفريق أيضًا في التداخل المحتمل من مجموعة من الملوثات المعدنية الأخرى ووجد أنه ، باستثناء الزئبق ، لم يتدخل أي من المعادن بقوة ، وحتى الزئبق لم يؤثر إلا بشكل طفيف على طيف الامتصاص.
وأوضح عباس أن "هذا يشير إلى أن المستشعر سيكون انتقائيًا ولن يتأثر بالعناصر الأخرى الموجودة في مياه الشرب". "في المستقبل ، قد تؤدي هذه الطريقة إلى تصميم جهاز ميكروفلويديك لاكتشاف الزرنيخ."
وظيفة تكتشف مستشعرات الجسيمات النانوية الزرنيخ في مياه الشرب ظهرت للمرة الأولى على عالم الفيزياء.
