Das kostengünstige, hochempfindliche Gerät erkennt selbst geringe Mengen giftiger Metalle in Wasser und Fischen.
Das neue System besteht aus einem kommerziellen Glasstreifen, der mit einem Film aus „haarigen“ Nanopartikeln bedeckt ist. Als eine Art „Nano-Klettverschluss“ kann es in Wasser getaucht werden, um den Schadstoff einzufangen und den Film elektrisch leitfähig zu machen. Bildnachweis: Northwestern University.
Wenn Quecksilber in Flüsse und Seen abgeladen wird, kann das giftige Schwermetall in den Fischen, die wir essen, und im Wasser landen, das wir trinken. Um die Verbraucher vor den mit Quecksilber verbundenen Krankheiten und Zuständen zu schützen, haben Forscher der Northwestern University in Zusammenarbeit mit Kollegen der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz ein Nanopartikelsystem entwickelt, das empfindlich genug ist, um selbst kleinste Mengen an Schweren zu erkennen Metalle in unserem Wasser und Fisch.
Die Studie wurde am 9. September in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
"Das System, mit dem derzeit Quecksilber und sein sehr giftiges Derivat, Methylquecksilber, getestet werden, ist ein zeitintensiver Prozess, der Millionen von Dollar kostet und nur Mengen in bereits toxischen Mengen nachweisen kann", sagte Bartosz Grzybowski, Hauptautor der Studie . „Unsere können sehr kleine Mengen nachweisen, die millionenfach kleiner sind als die heutigen Methoden. Dies ist wichtig, denn wenn Sie täglich verschmutztes Wasser mit einem geringen Quecksilbergehalt trinken, kann sich dies summieren und möglicherweise später zu Krankheiten führen. Mit diesem System hätten Verbraucher eines Tages die Möglichkeit, ihr Leitungswasser zu Hause auf giftige Metalle zu testen. “
Grzybowski ist Kenneth Burgess Professor für physikalische Chemie und chemische Systemtechnik am Weinberg College of Arts and Sciences und an der McCormick School of Engineering and Applied Science.
Das neue System besteht aus einem kommerziellen Glasstreifen, der mit einem Film aus „haarigen“ Nanopartikeln bedeckt ist, einer Art „Nano-Klettverschluss“, der in Wasser eingetaucht werden kann. Wenn ein Metallkation - eine positiv geladene Entität wie Methylquecksilber - zwischen zwei Haare gerät, schließen sich die Haare, fangen den Schadstoff ein und machen den Film elektrisch leitfähig.
Ein Spannungsmessgerät zeigt das Ergebnis an; Je mehr Ionen sich im „Nano-Klettverschluss“ befinden, desto mehr Strom wird er leiten. Um die Anzahl der eingefangenen Partikel zu berechnen, muss lediglich die Spannung über dem Nanostrukturfilm gemessen werden. Durch Variation der Länge der Nano-Haare, die die einzelnen Partikel im Film bedecken, können die Wissenschaftler gezielt auf eine bestimmte Art von Schadstoffen abzielen, die selektiv eingefangen werden. Bei längeren "Haaren" fangen die Filme Methylquecksilber ein, bei kürzeren ist Cadmium selektiv. Andere Metalle können auch mit geeigneten molekularen Modifikationen ausgewählt werden.
Die Nanopartikel-Filme kosten zwischen 1 und 10 US-Dollar, und das Gerät zum Messen der Ströme kostet ein paar hundert US-Dollar, sagte Grzybowski. Die Analyse kann vor Ort durchgeführt werden, sodass die Ergebnisse sofort verfügbar sind.
Die Forscher interessierten sich insbesondere für den Nachweis von Quecksilber, da sich seine häufigste Form, Methylquecksilber, beim Aufstieg in die Nahrungskette ansammelt und bei großen Raubfischen wie Thunfisch und Schwertfisch die höchsten Konzentrationen erreicht. In den USA, Frankreich und Kanada raten die Gesundheitsbehörden schwangeren Frauen, den Fischkonsum zu begrenzen, da Quecksilber die Entwicklung des Nervensystems beim Fötus beeinträchtigen kann.
Mit diesem System konnten Forscher unter anderem Quecksilberwerte in Wasser aus dem Michigansee in der Nähe von Chicago nachweisen. Trotz des hohen Industrieniveaus in der Region war der Quecksilbergehalt extrem niedrig.
"Das Ziel war es, unsere Messungen mit FDA-Messungen zu vergleichen, die mit konventionellen Methoden durchgeführt wurden", sagte Francesco Stellacci von der EPFL, Co-Korrespondent der Studie. "Unsere Ergebnisse lagen in einem akzeptablen Bereich."
Die Forscher testeten auch einen Mückenfisch aus den Florida Everglades, der sich nicht in der Nahrungskette befindet und daher in seinem Gewebe keinen hohen Quecksilbergehalt ansammelt. Die US Geological Survey berichtete über nahezu identische Ergebnisse nach der Analyse derselben Probe.
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