该仪器可进行邮寄测试，以检测水中的重金属

铅、砷和其他重金属越来越多地出现在世界各地的水系统中，这是由于人类活动，例如使用杀虫剂，以及最近电子垃圾处理不当。长期暴露于这些污染物的微量水平，浓度为百万分之几，可使孕妇、儿童和其他脆弱人群的健康状况变得衰弱。

然而，监测水体中的重金属含量是一项艰巨的任务，尤其是在资源有限的地区。在这些地区，工人们必须收集许多公升的水，用化学方法保存样本，然后将它们运送到遥远的实验室进行分析。

为了简化监测过程，麻省理工学院的研究人员开发了一种名为SEPSTAT的方法，用于固相萃取、保存、储存、运输和分析痕量污染物。该方法是基于该团队开发的一种小型、用户友好的设备，该设备可以吸收水中的微量污染物，并将其保持在干燥状态，这样样品就可以很容易地从邮件中寄出，送到实验室进行进一步分析。

是一种类似搅拌器的装置，内衬小口袋，小口袋里装满了金聚合物珠子，适合放在一个典型的采样瓶里，可以转动它来检测水中的任何金属污染物。

该装置类似于一个小型的、可弯曲的螺旋桨或搅打器，安装在一个典型的取样瓶中。当在瓶中旋转几分钟后，仪器可以吸收水中样品中的大部分微量污染物。用户可以将设备风干，也可以用一张纸吸干，然后将其压平，装在信封里寄到实验室，科学家可以将其浸入酸性溶液中去除污染物，然后收集起来，供实验室进一步分析。

“我们最初是为印度设计的，但它教会了我很多关于美国自身的水问题和痕量污染物的知识，”设备设计师Emily Hanhauser说，她是麻省理工学院机械工程系的研究生。“例如，有人听说了密歇根州弗林特的水危机，现在想知道他们的水里有什么，可能有一天会在网上订购类似的东西，自己做测试，然后把它送到实验室。”

Hanhauser和她的同事最近在《环境科学与技术》杂志上发表了他们的研究结果。她在麻省理工学院的合著者是塔塔技术与设计中心和麻省理工斯隆管理学院的Chintan Vaishnav;机械工程副教授John Hart;以及机械工程教授、教育部副部长罗希特•卡尼克(Rohit Karnik)，以及波士顿大学(Boston University)的迈克尔•博诺(Michael Bono)。

从茶包到搅拌器

该团队最初是为了了解印度的水监测基础设施。全国各地的地方实验室的工作人员收集了数以百万计的水样，这些水样具备进行基本水质分析的条件。然而，为了分析痕量污染物，这些地方实验室的工作人员需要用化学方法保存大量的水样，并将这些容器运送到数百公里外的各州首府，那里的中心实验室有适当分析痕量污染物的设施。

“如果你收集了很多这样的样本，并试图把它们带到实验室，这是一项非常繁重的工作，而且有一个显著的交通障碍，”Hanhauser说。

在设备被拉出并干燥后，它可以长时间保存它捡起的任何金属污染物。该设备可以被压扁并邮寄到实验室，在那里污染物可以进一步分析。

为了简化水监测的后勤工作，她和她的同事想知道他们是否可以绕过运输水的需要，而是在干燥的状态下自己运输污染物。

他们最终在“干血点”中找到了灵感，这是一项简单的技术，包括刺破一个人的手指，在一张纤维素卡片上收集一滴血。在干燥后，血液中的化学物质是稳定的，可以保存下来，卡片可以邮寄出去做进一步的分析，从而避免了保存和运输大量血液的需要。

研究小组开始考虑建立一个类似的重金属收集系统，查阅文献寻找既能从水中吸收微量污染物，又能在干燥时保持稳定的材料。

他们最终选定了离子交换树脂，这是一种以小聚合物珠的形式出现的材料，有几百微米宽。这些珠子包含了与氢离子结合的分子群。当在水中浸泡时，氢会脱落，并可以与另一种离子(如重金属阳离子)交换，取代氢在珠上的位置。通过这种方式，珠子可以吸收水中的重金属和其他微量污染物。

研究人员随后寻找将珠子浸入水中的方法，并首先考虑一个类似茶包的设计。他们在一个网状的口袋里装满了珠子，然后把它浸在掺有重金属的水中。不过，他们发现，如果只是把茶包留在水里，这些珠子需要几天时间才能充分吸收污染物。当他们搅动茶包的时候，湍流在一定程度上加快了这一过程，但还是花了太长时间，才让装在一个大茶包里的珠子吸收了污染物。

最终，Hanhauser发现手持式搅拌设计在合理的时间内最好地吸收水中的金属污染物。该设备是由一个聚合物网格切割成几个螺旋桨一样的面板。在每个面板里，Hanhauser手工缝制了小口袋，里面装满了聚合物珠子。然后，她将每个面板缝在一个聚合物棒周围，使其看起来像一种打蛋器或打蛋器。

试水

研究人员制造了几个这样的装置，然后在波士顿周围收集的天然水样本上进行测试，包括查尔斯河和神秘河。他们在样本中加入各种重金属污染物，如铅、铜、镍和镉，然后在每个样本的瓶子里放入一个装置，然后用手转动瓶子来捕捉和吸收污染物。然后他们把这些设备放在一个柜台上晾干一夜。

为了从设备中回收污染物，他们将设备浸泡在盐酸中。溶液中的氢能有效地打掉附着在聚合物珠上的任何离子，包括重金属，然后可以用质谱仪等仪器收集和分析重金属。

研究人员发现，通过搅拌水样中的装置，该装置能够吸收并保存每个样品中94%的金属污染物。在他们最近的试验中，他们发现他们仍然可以检测污染物，并预测它们在原始水样中的浓度，精确度在10%到20%之间，甚至在设备处于干燥状态长达两年之后也是如此。

不足2美元的成本,研究人员认为,该设备可以促进交通集中的实验室样品,样品的采集和保存为未来的分析,和水质数据的采集以集中的方式,反过来,可以帮助确定污染来源,指导政策,使改进的水质管理。

研究人员现在已经与印度的一家公司合作，希望将该设备商业化。他们的项目最近被印度政府的阿塔尔新印度挑战项目(Atal New India Challenge program)从950多份提案中挑选出来，成为26份提案之一。

这项研究的部分资金由阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔水和食品系统实验室、麻省理工学院塔塔中心和国家科学基金会提供。