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Sensor acessível para contaminação por chumbo

Impressão artística da superfície do chip, mostrando a interferência da luz no chip
Impressão artística da superfície do chip, mostrando o interferômetro de luz no chip usado para detectar a presença de chumbo. O processo de ligação do chumbo ao éter coroa é mostrado na inserção.

O dispositivo em escala de chip poderia fornecer detecção sensível dos níveis de chumbo na água potável, cuja toxicidade afeta 240 milhões de pessoas em todo o mundo.

Engenheiros do MIT, da Universidade Tecnológica de Nanyang e de várias empresas desenvolveram uma tecnologia compacta e barata para detectar e medir as concentrações de chumbo na água, permitindo potencialmente um avanço significativo no combate a este persistente problema de saúde global.

A Organização Mundial de Saúde estima que 240 milhões de pessoas em todo o mundo estão expostas a água potável que contém quantidades perigosas de chumbo tóxico, o que pode afectar o desenvolvimento do cérebro das crianças, causar defeitos congénitos e produzir uma variedade de efeitos neurológicos, cardíacos e outros efeitos prejudiciais. Só nos Estados Unidos, estima-se que 10 milhões de famílias ainda recebem água potável através de canos de chumbo.

“É uma crise de saúde pública não resolvida que leva a mais de 1 milhão de mortes anualmente”, diz Jia Xu Brian Sia, pós-doutorando do MIT e autor sênior do artigo que descreve a nova tecnologia.

Mas os testes de chumbo na água requerem equipamentos caros e pesados ​​e normalmente levam dias para obter resultados. Ou utiliza tiras de teste simples que simplesmente revelam uma resposta sim ou não sobre a presença de chumbo, mas nenhuma informação sobre sua concentração. As regulamentações atuais da EPA exigem que a água potável não contenha mais de 15 partes por bilhão de chumbo, uma concentração tão baixa que é difícil de detectar.

O novo sistema, que poderá estar pronto para implantação comercial dentro de dois ou três anos, poderá detectar concentrações de chumbo tão baixas quanto 1 parte por bilhão, com alta precisão, usando um detector simples baseado em chip alojado em um dispositivo portátil. A tecnologia fornece medições quantitativas quase instantâneas e requer apenas uma gota de água.

As descobertas são descritas em um artigo publicado hoje na revista Comunicações da Naturezapor Sia, estudante de pós-graduação do MIT e autor principal Luigi Ranno, professor Juejun Hu e outras 12 pessoas do MIT e outras instituições acadêmicas e industriais.

A equipe decidiu encontrar um método de detecção simples baseado no uso de chips fotônicos, que utilizam luz para realizar medições. A parte desafiadora foi encontrar uma maneira de anexar à superfície do chip fotônico certas moléculas em forma de anel, conhecidas como éteres de coroa, que podem capturar íons específicos, como o chumbo. Após anos de esforço, eles conseguiram essa ligação por meio de um processo químico conhecido como esterificação de Fischer. “Esse é um dos avanços essenciais que fizemos nesta tecnologia”, diz Sia.

Ao testar o novo chip, os investigadores demonstraram que este consegue detectar chumbo na água em concentrações tão baixas como uma parte por bilião. Em concentrações muito mais elevadas, que podem ser relevantes para testar a contaminação ambiental, como rejeitos de minas, a precisão fica dentro de 4%.

O aparelho funciona em águas com níveis variados de acidez, variando de valores de pH de 6 a 8, “o que abrange a maioria das amostras ambientais”, diz Sia. Eles testaram o dispositivo com água do mar e também com água da torneira e verificaram a precisão das medições.

Para atingir tais níveis de precisão, os testes atuais requerem um dispositivo denominado espectrômetro de massa de plasma acoplado indutivo. “Essas configurações podem ser grandes e caras”, diz Sia. O processamento da amostra pode levar dias e requer pessoal técnico experiente.

Embora o novo sistema de chip desenvolvido seja “a parte central da inovação”, diz Ranno, será necessário mais trabalho para transformá-lo em um dispositivo portátil integrado para uso prático. “Para fazer um produto real, você precisaria empacotá-lo em um formato utilizável”, explica ele. Isso envolveria ter um pequeno laser baseado em chip acoplado ao chip fotônico. “É uma questão de projeto mecânico, algum projeto óptico, um pouco de química e de descobrir a cadeia de suprimentos”, diz ele. Embora isso leve tempo, diz ele, os conceitos subjacentes são simples.

O sistema pode ser adaptado para detectar outros contaminantes semelhantes na água, incluindo cádmio, cobre, lítio, bário, césio e rádio, diz Ranno. O dispositivo pode ser usado com cartuchos simples que podem ser trocados para detectar diferentes elementos, cada um usando éteres de coroa ligeiramente diferentes que podem se ligar a um íon específico.

“Existe o problema de as pessoas não medirem suficientemente a água, especialmente nos países em desenvolvimento”, diz Ranno. “E isso porque eles precisam coletar a água, preparar a amostra e trazê-la para esses instrumentos enormes que são extremamente caros”. Em vez disso, “ter este dispositivo portátil, algo compacto que mesmo pessoal não treinado pode simplesmente levar à fonte para monitoramento no local, a custos baixos”, poderia tornar viáveis ​​testes generalizados regulares e contínuos.

Hu, que é professor John F. Elliott de Ciência e Engenharia de Materiais, diz: “Espero que isso seja implementado rapidamente, para que possamos beneficiar a sociedade humana. Este é um bom exemplo de uma tecnologia proveniente de uma inovação de laboratório onde pode, na verdade, ter um impacto muito tangível na sociedade, o que é, obviamente, muito gratificante.”

“Se este estudo puder ser estendido à detecção simultânea de múltiplos elementos metálicos, especialmente os atualmente preocupantes elementos radioativos, seu potencial seria imenso”, diz Hou Wang, professor associado de ciência ambiental e engenharia na Universidade de Hunan, na China, que não foi associado a este trabalho.

Wang acrescenta: “Esta pesquisa projetou um sensor capaz de detectar instantaneamente a concentração de chumbo na água. Isso pode ser utilizado em tempo real para monitorar a concentração de poluição por chumbo em águas residuais descarregadas de indústrias como fabricação de baterias e fundição de chumbo, facilitando o estabelecimento de sistemas de monitoramento de águas residuais industriais. Acredito que os aspectos inovadores e o potencial de desenvolvimento desta pesquisa são bastante louváveis.”

Wang Qian, principal cientista pesquisador do Instituto de Pesquisa de Materiais de Cingapura, que também não estava afiliado a este trabalho, diz: “A capacidade de detecção generalizada, portátil e quantitativa de chumbo provou ser um desafio principalmente devido ao custo Este trabalho demonstra o potencial para fazê-lo em um formato altamente integrado e é compatível com a fabricação em larga escala e de baixo custo.”

A equipe incluiu pesquisadores do MIT, da Universidade Tecnológica de Nanyang e dos Laboratórios Temasek, em Cingapura, da Universidade de Southampton, no Reino Unido, e das empresas Fingate Technologies, em Cingapura, e Vulcan Photonics, com sede na Malásia. O trabalho utilizou instalações do MIT.nano, do Centro de Sistemas em Nanoescala da Universidade de Harvard, do Centro de Microe Nanoeletrônica da NTU e do Centro de Nanofabricação de Nanyang.

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