水質センサー

スコットランド、ポルトガル、ドイツの大学の研究者チームが、水サンプル中の非常に低濃度の農薬の存在を検出できるセンサーを開発した。
本日、学術誌「ポリマー材料・工学」に掲載された論文で詳述されている彼らの研究は、水質モニタリングをより迅速、容易、かつ安価にする可能性を秘めている。
農薬は作物の損失を防ぐために世界中の農業で広く使用されています。しかし、土壌、地下水、海水へのわずかな漏出でも、人、動物、環境の健康に害を及ぼす可能性があるため、注意が必要です。

水質汚染を最小限に抑え、水サンプルから農薬が検出された際に迅速な対応を可能にするためには、定期的な環境モニタリングが不可欠です。現在、農薬検査は通常、クロマトグラフィーや質量分析法などの手法を用いて実験室で行われています。
これらの検査は信頼性が高く正確な結果が得られるものの、実施に時間と費用がかかる場合がある。有望な代替手段の一つとして、表面増強ラマン散乱（SERS）と呼ばれる化学分析ツールが挙げられる。
光が分子に当たると、分子の構造に応じて異なる周波数で散乱されます。SERS（表面増強ラマン散乱）を用いることで、科学者は金属表面に吸着した試験試料中の残留分子の量を、分子によって散乱された光の固有の「指紋」を分析することによって検出・特定することができます。
この効果は、金属表面を改質して分子を吸着できるようにすることで強化でき、それによってサンプル中の低濃度の分子を検出するセンサーの能力が向上する。
研究チームは、入手可能な3Dプリント材料を用いて水サンプルに分子を吸着させ、現場で正確な初期結果を提供できる、より持ち運びやすい新しい試験方法の開発に着手した。
そのため、彼らはポリプロピレンと多層カーボンナノチューブの混合物から作られた、いくつかの異なるタイプの細胞構造を研究した。これらの構造は、一般的な3Dプリンティングの一種である溶融フィラメントを用いて作製された。
従来の湿式化学技術を用いて、銀および金のナノ粒子を細胞構造の表面に堆積させ、表面増強ラマン散乱プロセスを可能にする。
彼らは、3Dプリントされた様々な細胞材料構造が有機色素であるメチレンブルーの分子を吸収・吸着する能力をテストし、その後、携帯型ラマン分光計を用いてそれらを分析した。
初期試験で最も優れた性能を示した材料、すなわち銀ナノ粒子に結合した格子構造（周期的な細胞状構造）を試験紙に添加した。少量の実際の殺虫剤（シラムとパラコート）を海水と淡水のサンプルに添加し、SERS分析のために試験紙上に置いた。
水はポルトガルのアヴェイロにある川の河口と、同じ地域の水道から取水されており、水質汚染を効果的に監視するために定期的に検査されている。
研究者らは、この試験紙が1マイクロモルという低濃度の農薬分子を2種類検出できることを発見した。これは、水分子100万個あたり農薬分子1個に相当する。
グラスゴー大学ジェームズ・ワット工学部のシャンムガム・クマール教授は、この論文の著者の一人です。この研究は、独自の特性を持つナノ構造格子を作製するために3Dプリンティング技術を利用するという、同教授の研究に基づいています。
「この予備研究の結果は非常に有望であり、これらの低コスト材料を用いて、非常に低濃度であっても農薬を検出するためのSERSセンサーを製造できることを示している。」
本論文の共著者であるアヴェイロ大学CICECOアヴェイロ材料研究所のサラ・ファテイシャ博士は、SERS技術を支えるプラズマナノ粒子を開発した。本論文では、このシステムが特定の種類の水質汚染物質を検出する能力を検証しているが、この技術は水質汚染物質の存在を監視するために容易に応用できる。