Ingenjörer vid MIT, Nanytang Technological University och flera företag har utvecklat en kompakt och billig teknik för att detektera och mäta blykoncentrationer i vatten, vilket potentiellt möjliggör ett betydande framsteg när det gäller att ta itu med detta ihållande globala hälsoproblem.
Världshälsoorganisationen uppskattar att 240 miljoner människor världen över utsätts för dricksvatten som innehåller osäkra mängder giftigt bly, vilket kan påverka hjärnans utveckling hos barn, orsaka fosterskador och ge en mängd olika neurologiska, hjärt- och andra skadliga effekter. Bara i USA får uppskattningsvis 10 miljoner hushåll fortfarande dricksvatten levererat genom blyrör.
"Det är en oåtgärdad folkhälsokris som leder till över 1 miljon dödsfall årligen", säger Jia Xu Brian Sia, postdoc vid MIT och seniorförfattare till uppsatsen som beskriver den nya tekniken.
Men att testa för bly i vatten kräver dyr, besvärlig utrustning och kräver vanligtvis dagar för att få resultat. Eller så använder den enkla testremsor som helt enkelt avslöjar ett ja-eller-nej-svar om förekomsten av bly men ingen information om dess koncentration. Nuvarande EPA-regler kräver att dricksvatten inte innehåller mer än 15 delar per miljard bly, en koncentration så låg att den är svår att upptäcka.
Det nya systemet, som kan vara redo för kommersiellt bruk inom två eller tre år, skulle kunna detektera blykoncentrationer så låga som 1 del per miljard, med hög noggrannhet, med hjälp av en enkel chipbaserad detektor inrymd i en handhållen enhet. Tekniken ger nästan omedelbara kvantitativa mätningar och kräver bara en droppe vatten.
Resultaten beskrivs i en artikel som publiceras idag i tidskriften Nature Communications , av Sia, MIT doktorand och huvudförfattare Luigi Ranno, professor Juejun Hu och 12 andra vid MIT och andra institutioner inom akademi och industri.
Teamet satte sig för att hitta en enkel detektionsmetod baserad på användningen av fotoniska chips, som använder ljus för att utföra mätningar. Den utmanande delen var att hitta ett sätt att fästa på den fotoniska chipytan vissa ringformade molekyler som kallas kronetrar, som kan fånga specifika joner som bly.
Efter år av ansträngning kunde de uppnå den vidhäftningen via en kemisk process som kallas Fischer-förestring. "Det är ett av de väsentliga genombrotten vi har gjort inom den här tekniken", säger Sia.
Vid testning av det nya chipet visade forskarna att det kan detektera bly i vatten i koncentrationer så låga som en del per miljard. Vid mycket högre koncentrationer, vilket kan vara relevant för att testa miljöföroreningar såsom gruvavfall, är noggrannheten inom 4 procent.
Enheten fungerar i vatten med varierande nivåer av surhet, från pH-värden på 6 till 8, "vilket täcker de flesta miljöprover", säger Sia. De har testat enheten med såväl havsvatten som kranvatten och verifierat mätningarnas noggrannhet.
För att uppnå sådana nivåer av noggrannhet kräver strömtestning en anordning som kallas en induktiv kopplad plasmamasspektrometer. "Dessa installationer kan vara stora och dyra," säger Sia. Provbearbetningen kan ta dagar och kräver erfaren teknisk personal.
Även om det nya chipsystemet de utvecklade är "kärnan i innovationen", säger Ranno, men ytterligare arbete kommer att behövas för att utveckla detta till en integrerad, handhållen enhet för praktisk användning. "För att göra en verklig produkt måste du paketera den i en användbar formfaktor", förklarar han. Detta skulle innebära att ha en liten chipbaserad laser kopplad till fotonchippet.
"Det är en fråga om mekanisk design, en del optisk design, lite kemi och att räkna ut leveranskedjan", säger han. Även om det tar tid, säger han, är de underliggande koncepten enkla.
Systemet kan anpassas för att upptäcka andra liknande föroreningar i vatten, inklusive kadmium, koppar, litium, barium, cesium och radium, säger Ranno. Enheten skulle kunna användas med enkla patroner som kan bytas ut för att detektera olika element, var och en med något olika kronetrar som kan binda till en specifik jon.
"Det finns det här problemet att människor inte mäter sitt vatten tillräckligt, särskilt i utvecklingsländerna," säger Ranno. "Och det beror på att de behöver samla upp vattnet, förbereda provet och föra det till dessa enorma instrument som är extremt dyra."
Istället, "att ha den här handhållna enheten, något kompakt som även outbildad personal bara kan ta med till källan för övervakning på plats, till låga kostnader," skulle kunna göra regelbundna, pågående omfattande tester genomförbara.
Hu, som är John F. Elliott professor i materialvetenskap och teknik, säger:"Jag hoppas att detta kommer att implementeras snabbt, så att vi kan gynna det mänskliga samhället. Det här är ett bra exempel på en teknologi som kommer från en labbinnovation där det kan faktiskt ha en mycket påtaglig inverkan på samhället, vilket naturligtvis är mycket tillfredsställande."
"Om den här studien kan utvidgas till samtidig detektering av flera metallelement, särskilt de som för närvarande rör radioaktiva element, skulle dess potential vara enorm", säger Hou Wang, docent i miljövetenskap och ingenjörsvetenskap vid Hunan University i Kina, som inte var kopplat till detta arbete.
Wang tillägger, "Denna forskning har konstruerat en sensor som kan omedelbart detektera blykoncentrationen i vatten. Denna kan användas i realtid för att övervaka blyföroreningskoncentrationen i avloppsvatten som släpps ut från industrier som batteritillverkning och blysmältning, vilket underlättar etableringen av industriella avloppsvattenövervakningssystem Jag tror att de innovativa aspekterna och utvecklingspotentialen i denna forskning är ganska lovvärda."
Wang Qian, en ledande forskare vid Institute of Materials Research i Singapore, som inte heller var ansluten till detta arbete, säger:"Förmågan för genomgripande, bärbar och kvantitativ detektering av bly har visat sig vara utmanande, främst på grund av kostnaden. Detta arbete visar potentialen att göra det i en mycket integrerad formfaktor och är kompatibel med storskalig, lågkostnadstillverkning."
Teamet inkluderade forskare vid MIT, vid Nanyang Technological University och Temasek Laboratories i Singapore, vid University of Southampton i Storbritannien, och hos företagen Fingate Technologies, i Singapore, och Vulcan Photonics, med huvudkontor i Malaysia. Arbetet använde faciliteter vid MIT.nano, Harvard University Center for Nanoscale Systems, NTU:s Center for Micro- and Nano-Electronics och Nanyang Nanofabrication Center.
Mer information: Luigi Ranno et al, kroneterdekorerad kiselfotonik för skydd mot blyförgiftning, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47938-6
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
