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、水サンプル中に含まれる非常に低濃度の農薬の存在を検知できるセンサーを開発した。
本日ポリマー材料・工学誌に掲載された新しい論文で説明されている彼らの研究は、水質監視をより迅速、容易、安価にする可能性がある。
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、海水への少量の漏出でも、人、動物、そして環境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、水サンプル中に農薬が検出された場合の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などの手法を用いて実験室環境で行われています。
これらの検査は信頼性と精度の高い結果をもたらしますが、実施には時間と費用がかかる場合があります。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あります。
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します。SERS（表面反射率）は、分子によって散乱された光の固有の「指紋」を分析することで、金属表面に吸着された試験サンプル中の残留分子の量を検出・特定することを可能にします。
この効果は、金属表面を分子を吸着できるように変更することで強化でき、サンプル内の低濃度の分子を検出するセンサーの能力が向上します。
研究チームは、入手可能な3Dプリント材料を使用して分子を水サンプルに吸着し、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ました。
そのために、研究者たち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数種類のセル構造を研究しました。これらの建物は、3Dプリントの一般的な手法である溶融フィラメントを用いて作製されました。
従来の湿式化学技術を使用して、銀および金のナノ粒子を細胞構造の表面に堆積し、表面増強ラマン散乱プロセスを可能にします。
研究者たちは、3Dプリントされた数種類の異なる細胞材料構造が有機染料メチレンブルーの分子を吸収・吸着する能力をテストし、ポータブルなラマン分光計を使用して分析しました。
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を結合させた格子構造（周期的な細胞構造）を試験紙に加えました。海水と淡水のサンプルに少量の実際の殺虫剤（シラムとパラコート）を加え、試験紙に載せてSERS分析を行いました。
水はポルトガルのアヴェイロにある川の河口と、同じ地域の蛇口から取水されており、定期的に検査されて水質汚染を効果的に監視しています。
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2個を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。本研究は、3Dプリンティング技術を用いて独自の特性を持つナノ工学構造格子を作成するというクマール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、これらの低コストの材料を使用して、非常に低濃度で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ます。」
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ました。本論文では、このシステムの特定の種類の水質汚染物質の検出能力を検証していますが、この技術は水質汚染物質の存在を監視することにも容易に応用できます。