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科学家开发了一种经济实惠的铅污染传感器

An illustration of the rectangular chip surface showing blue strip waveguides and red Y-shaped slots on the blue strips.Close-up look of the chip sensor is housed in a metallic box with a tube coming out. Metal clamps keep it in place.Jia Xu Brian Sia and Luigi Ranno smile for a selfie while holding the photonic chip sensor.

麻省理工学院、南洋理工大学和几家公司的工程师开发了一种紧凑且廉价的技术,用于检测和测量水中的铅浓度,有可能在解决这一持续存在的全球健康问题方面取得重大进展。

世界卫生组织估计,全世界有 2.4 亿人接触含有不安全量有毒铅的饮用水,这些铅会影响儿童的大脑发育,导致出生缺陷,并产生各种神经、心脏和其他破坏性影响。仅在美国,估计仍有1000万户家庭通过铅管获得饮用水。

“这是一场未解决的公共卫生危机,每年导致超过100万人死亡,”麻省理工学院博士后、描述这项新技术的论文的资深作者Jia Xu Brian Sia说。

但是,水中铅的检测需要昂贵、笨重的设备,并且通常需要数天才能获得结果。或者,它使用简单的试纸,简单地显示关于铅存在的是或否答案,但没有关于其浓度的信息。目前的EPA法规要求饮用水中的铅含量不得超过十亿分之15,这种浓度如此之低,以至于难以检测。

新系统可以在两到三年内准备好进行商业部署,可以使用安装在手持设备中的简单基于芯片的探测器,以高精度检测低至十亿分之一的铅浓度。该技术几乎可以即时进行定量测量,并且只需要一滴水。

这些发现在今天发表在 《自然通讯》杂志上的一篇论文中进行了描述,作者是Sia,麻省理工学院研究生和主要作者Luigi Ranno,Juejun 胡教授以及麻省理工学院和其他学术界和工业界的其他机构的其他12人。

该团队着手寻找一种基于使用光子芯片的简单检测方法,光子芯片使用光进行测量。具有挑战性的部分是找到一种方法,将某些称为冠醚的环形分子附着在光子芯片表面,这些分子可以捕获特定的离子,例如铅。经过多年的努力,他们能够通过一种称为费舍尔酯化的化学过程来实现这种附着。“这是我们在这项技术方面取得的重要突破之一,”Sia说。

在测试新芯片时,研究人员表明,它可以检测出浓度低至十亿分之一的水中的铅。在更高的浓度下,这可能与测试矿山尾矿等环境污染有关,准确率在4%以内。

该设备在具有不同酸度的水中工作,pH值从6到8不等,“涵盖了大多数环境样品,”Sia说。他们用海水和自来水测试了该设备,并验证了测量的准确性。

为了达到这样的精度水平,电流测试需要一种称为电感耦合等离子体质谱仪的设备。“这些设置可能又大又昂贵,”Sia 说。样品处理可能需要数天时间,并且需要经验丰富的技术人员。

Ranno说,虽然他们开发的新芯片系统是“创新的核心部分”,但还需要进一步的工作才能将其开发成一种用于实际使用的集成手持设备。“为了制造实际产品,您需要将其包装成可用的外形尺寸,”他解释道。这将涉及将基于芯片的小型激光器耦合到光子芯片上。“这是一个机械设计、一些光学设计、一些化学以及弄清楚供应链的问题,”他说。他说,虽然这需要时间,但基本概念很简单。

Ranno说,该系统可以用于检测水中的其他类似污染物,包括镉、铜、锂、钡、铯和镭。该设备可以与简单的卡盒一起使用,这些卡盒可以换掉以检测不同的元素,每种元素都使用略有不同的冠醚,可以与特定离子结合。

“存在一个问题,人们没有充分测量他们的水,特别是在发展中国家,”兰诺说。“这是因为他们需要收集水,准备样品,并将其带到这些极其昂贵的大型仪器中。取而代之的是,“拥有这种手持设备,即使是未经培训的人员也可以以低成本带到源头进行现场监测”,可以使定期、持续的广泛测试成为可能。

约翰·F·艾略特(John F. Elliott)材料科学与工程教授胡说:“我希望这能迅速实施,这样我们就可以造福人类社会。这是来自实验室创新的技术的一个很好的例子,它实际上可能会对社会产生非常切实的影响,这当然是非常有成就感的。

“如果这项研究可以扩展到同时检测多种金属元素,特别是目前涉及的放射性元素,它的潜力将是巨大的,”中国湖南大学环境科学与工程副教授侯王说,他没有参与这项工作。

Wang补充说:“这项研究设计了一种能够即时检测水中铅浓度的传感器。可以实时监测电池制造、铅冶炼等行业排放废水中的铅污染浓度,便于建立工业废水监测系统。我认为这项研究的创新方面和发展潜力是相当值得称赞的。

新加坡材料研究所的首席研究科学家王倩(Wang Qian)也没有参与这项工作,他说:“事实证明,由于成本问题,铅的普遍、便携和定量检测能力具有挑战性。这项工作展示了在高度集成的外形尺寸中做到这一点的潜力,并且与大规模、低成本的制造兼容。

该团队包括麻省理工学院、新加坡南洋理工大学和淡马锡实验室、英国南安普顿大学、新加坡Fingate Technologies公司和总部位于马来西亚的Vulcan Photonics公司的研究人员。这项工作使用了麻省理工学院纳米系统中心、南洋理工大学微纳米电子中心和南洋纳米制造中心的设施。

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://news.mit.edu/2024/scientists-develop-affordable-sensor-for-lead-contamination-0514