Tungmetaller (HM) är metaller med höga densiteter och atomvikter. De kommer från geologiska processer eller mänskliga aktiviteter, inklusive gruvdrift, industriell produktion och petrokemiska växter, och är giftiga för människor och djur och anses vara vanliga föroreningar i miljön.
HM kan komma in i människokroppen genom intag av förorenad mat eller vatten, adsorption genom huden eller andning av förorenad luft. De är kända för att orsaka allvarliga hälsoproblem hos människor, såsom njurskador, högt blodtryck, skador på nervsystemet, fertilitetsdefekter och till och med dödsfall.
Därför är exakta och kompakta HM-detektionstekniker väsentliga för att bedöma deras koncentrationer i miljön och screena för hälsoproblem som uppstår från deras föroreningar. För detta ändamål har de senaste åren sett en ökning av användningen av elektrokemiska avkänningstekniker för screening på plats av HM-föroreningar.
I en ny studie nu har ett team av forskare från Korea, ledd av professor Seung-Cheol Chang från Institutionen för optik och mekatronikteknik vid College of Nanoscience and Nanotechnology vid Pusan National University, utförligt granskat den senaste utvecklingen inom elektrokemiska sensorer för tunga metalldetektering.
"Konventionella analytiska tekniker för HM-detektion är svåra att använda för fältanalys. Det finns därför ett akut behov av bärbara elektrokemiska sensorer som är enkla att använda, kostnadseffektiva och lämpliga för snabb detektering på plats", förklarar Prof. Chang.
Förstaförfattaren Dr. Ramalingam Manikandan från Prof. Changs labb bidrog avsevärt med mycket praktiskt arbete för denna studie, som publicerades i tidskriften Coordination Chemistry Reviews .
I den här recensionen fokuserade teamet uteslutande på miniatyriserade elektrokemiska sensorer som är lämpliga för detektering av HM-föroreningar på plats. De undersökte olika sensorvarianter som screentryckta elektroder (SPE), pappersbaserade elektroder och nanomaterialbelagda sensorer gjorda av kolnanokompositer, metallnanopartiklar och metallsammansatta nanokompositer.
Deras analys visade att miniatyriserade elektrokemiska sensorer baserade på SPE:er och pappersbaserade elektroder erbjuder låg kostnad och tidseffektiv analys samtidigt som de minskar den erforderliga mängden prov och stödjande elektrolyter.
Dessa sensorer hanterar också effektivt begränsningarna hos konventionella laboratoriebaserade metoder. Dessutom uppvisar nanomaterialbaserade sensorer hög specificitet och känslighet, vilket möjliggör detektering av ultraspårmängder av HM med hög noggrannhet i en mängd olika miljöförhållanden.
Trots dessa framsteg erkände teamet dock de befintliga begränsningarna för elektrokemiska sensorer som fortfarande måste åtgärdas. Nuvarande metoder för elektrokemisk detektering lider av dålig selektivitet, otillräcklig detaljnivå och interferens från främmande arter som kan ha skadliga effekter under analys på plats.
Dessutom bidrar ytterligare möten med lösta syreämnen, även om de är nödvändiga för att analysera konduktivitet och pH, till en minskning av detekteringsförmågan hos dessa sensorer över tid.
Forskarna betonade också behovet av bärbara lab-on-a-chip metoder och storskalig tillverkning av engångs, flexibla och bärbara elektrokemiska sensorer. Dessutom krävs innovativa elektrokemiska detektionsstrategier för HM-avkänning i humana biovätskeprover, såsom saliv, blod och urin.
"En av de svåraste uppgifterna är kommersialiseringen av de avancerade och systematiska idéer som lagts fram av akademin, läkemedelsindustrin och statliga organ i kombination med lämpliga valideringstekniker", säger professor Chang, samtidigt som han pratar om framtiden för forskning om elektrokemiska sensorer för HMs.
Icke desto mindre är teamet övertygade om att pågående forskning inom elektronik, nanoteknik och materialteknik kan övervinna några av de befintliga problemen och bana väg för snabbare, tillförlitlig och exakt detektering av HMs på plats för en säkrare och hälsosammare miljö.
Mer information: Ramalingam Manikandan et al, Nya framsteg inom miniatyriserade elektrokemiska analysatorer för avkänning av farliga tungmetaller i miljöprover, Coordination Chemistry Reviews (2023). DOI:10.1016/j.ccr.2023.215487
Tillhandahålls av Pusan National University
