Leda, arsenik, och andra tungmetaller är alltmer närvarande i vattensystem runt om i världen på grund av mänskliga aktiviteter, som användning av bekämpningsmedel och på senare tid, otillräckligt bortskaffande av elektroniskt avfall. Kronisk exponering för jämna spårnivåer av dessa föroreningar, vid koncentrationer av delar per miljard, kan orsaka försvagande hälsotillstånd hos gravida kvinnor, barn, och andra utsatta befolkningar.

Att övervaka vatten för tungmetaller är en formidabel uppgift, dock, särskilt för resursbegränsade regioner där arbetare måste samla in många liter vatten och kemiskt konservera prover innan de transporteras till avlägsna laboratorier för analys.

För att förenkla övervakningsprocessen, MIT-forskare har utvecklat en metod som kallas SEPSTAT, för extraktion i fast fas, bevarande, lagring, transport, och analys av spårföroreningar. Metoden bygger på en liten, användarvänlig enhet som teamet utvecklat, som absorberar spårföroreningar i vatten och bevarar dem i torrt tillstånd så att proverna lätt kan släppas med posten och skickas till ett laboratorium för vidare analys.

Enheten liknar en liten, flexibel propeller, eller vispa, som får plats i en typisk provtagningsflaska. När den snurrades inuti flaskan i flera minuter, instrumentet kan absorbera de flesta spårföroreningar i vattenprovet. En användare kan antingen lufttorka enheten eller torka den med en bit papper, platta till det och skicka det i ett kuvert till ett laboratorium, där forskare kan doppa det i en lösning av syra för att ta bort föroreningarna och samla in dem för vidare analys i labbet.

"Vi designade först den här för användning i Indien, men det har lärt mig mycket om våra egna vattenproblem och spår av föroreningar i USA, " säger enhetsdesignern Emily Hanhauser, en doktorand vid MIT:s institution för maskinteknik. "Till exempel, någon som har hört talas om vattenkrisen i Flint, Michigan, som nu vill veta vad som finns i deras vatten, kanske en dag beställer något sånt här online, gör testet själva, och skicka det till ett labb. "

Hanhauser och hennes kollegor publicerade nyligen sina resultat i tidskriften Miljövetenskap och teknik . Hennes MIT-medförfattare är Chintan Vaishnav från Tata Center for Technology and Design och MIT Sloan School of Management; John Hart, docent i maskinteknik; och Rohit Karnik, professor i maskinteknik och biträdande avdelningschef för utbildning, tillsammans med Michael Bono från Boston University.

Från tepåsar till vispar

Teamet satte sig ursprungligen för att förstå vattenövervakningsinfrastrukturen i Indien. Miljontals vattenprover samlas in av arbetare vid lokala laboratorier runt om i landet, som är utrustade för att utföra grundläggande vattenkvalitetsanalyser. Dock, att analysera spårföroreningar, arbetare vid dessa lokala labb behöver kemiskt bevara ett stort antal vattenprover och transportera kärlen, ofta över hundratals kilometer, till statens huvudstäder, där centraliserade labb har faciliteter för att korrekt analysera spårföroreningar.

"Om du samlar in många av dessa prover och försöker ta dem till ett labb, det är ganska tungt arbete, och det finns en betydande transportbarriär, Säger Hanhauser.

I syfte att effektivisera logistiken för vattenövervakning, hon och hennes kollegor undrade om de kunde kringgå behovet av att transportera vattnet, och istället transportera föroreningarna själva, i torrt tillstånd.

De hittade så småningom inspiration i torra blodfläckar, en enkel teknik som går ut på att sticka en persons finger och samla en droppe blod på ett cellulosakort. När det torkat, kemikalierna i blodet är stabila och bevarade, och korten kan postas för vidare analys, undvika behovet av att bevara och transportera stora volymer blod.

Teamet började fundera på ett liknande insamlingssystem för tungmetaller, och letade igenom litteraturen efter material som både kunde absorbera spårföroreningar från vatten och hålla dem stabila när de är torra.

De slog sig så småningom på jonbytarhartser, en klass av material som kommer i form av små polymerpärlor, flera hundra mikron bred. Dessa pärlor innehåller grupper av molekyler bundna till en vätejon. När det doppas i vatten, vätet lossnar och kan bytas ut mot en annan jon, såsom en tungmetallkatjon, som tar vätgas plats på pärlan. På det här sättet, pärlorna kan absorbera tungmetaller och andra spårföroreningar från vatten.

Forskarna letade sedan efter sätt att sänka ner pärlorna i vatten, och först ansågs vara en tepåseliknande design. De fyllde en nätliknande ficka med pärlor och doppade den i vatten som de spetsade med tungmetaller. De hittade, fastän, att det tog dagar för pärlorna att absorbera föroreningarna på ett tillfredsställande sätt om de helt enkelt lämnade tepåsen i vattnet. När de rörde runt tepåsen, turbulens påskyndade processen något, men det tog fortfarande alldeles för lång tid för pärlorna, packad i en stor tepåse, att absorbera föroreningarna.

I sista hand, Hanhauser fann att en handhållen omrörningsdesign fungerade bäst för att ta upp metallföroreningar i vatten inom rimlig tid. Enheten är gjord av ett polymernät som skärs i flera propellerliknande paneler. Inom varje panel, Hanhauser handsydda små fickor, som hon fyllde med polymerpärlor. Hon sydde sedan varje panel runt en polymerpinne för att likna en sorts äggvisp eller visp.

Testar vattnet

Forskarna tillverkade flera av enheterna, testade dem sedan på prover av naturligt vatten som samlats runt Boston, inklusive floderna Charles och Mystic. De spetsade proverna med olika tungmetallföroreningar, som bly, koppar, nickel, och kadmium, stack sedan en enhet i flaskan med varje prov, och snurrade runt den för hand för att fånga upp och absorbera föroreningarna. De placerade sedan enheterna på en bänk för att torka över natten.

För att återvinna föroreningarna från enheten, de doppade apparaten i saltsyra. Vätet i lösningen slår effektivt bort alla joner som är fästa vid polymerpärlorna, inklusive tungmetaller, som sedan kan samlas in och analyseras med instrument som masspektrometrar.

Forskarna fann att genom att röra om enheten i vattenprovet, enheten kunde absorbera och bevara cirka 94 procent av metallföroreningarna i varje prov. I sina senaste försök, de fann att de fortfarande kunde upptäcka föroreningarna och förutsäga deras koncentrationer i de ursprungliga vattenproverna, med ett noggrannhetsområde på 10 till 20 procent, även efter förvaring av enheten i torrt tillstånd i upp till två år.

Med en kostnad på mindre än $ 2, forskarna tror att enheten kan underlätta transport av prover till centraliserade laboratorier, insamling och bevarande av prover för framtida analys, och inhämtning av vattenkvalitetsdata på ett centraliserat sätt, som, i tur och ordning, kan hjälpa till att identifiera föroreningskällor, vägleda policyer, och möjliggör förbättrad vattenkvalitetshantering.