התרשמות האמן ממשטח השבב, מראה את אינטרפרומטר האור על השבב המשמש לתחושת נוכחות של עופרת. תהליך קשירת העופרת לאתר הכתר מוצג בתוספת. קרדיט: Jia Xu Brian Sia
מכשיר חדש בקנה מידה שבבים יכול לספק זיהוי רגיש של רמות עופרת במי שתייה, שהרעילות שלהם משפיעה על 240 מיליון אנשים ברחבי העולם.
מהנדסים ב MIT ומשתפי פעולה פיתחו טכנולוגיה קומפקטית וזולה לזיהוי ומדידה של עופרת במים. מערכת חדשה זו משתמשת בשבב פוטוניים ובאתרים כתרים כדי ללכוד יוני עופרת, ומספקת תוצאות מדויקות כמעט מיידיות עם טיפת מים בלבד.
מהנדסים ב-MIT, האוניברסיטה הטכנולוגית של נאניאנג ומספר חברות פיתחו טכנולוגיה קומפקטית וזולה לאיתור ומדידה של ריכוזי עופרת במים, מה שעשוי לאפשר התקדמות משמעותית בטיפול בבעיה בריאותית עולמית מתמשכת זו.
ארגון הבריאות העולמי מעריך כי 240 מיליון בני אדם ברחבי העולם חשופים למי שתייה המכילים כמויות לא בטוחות של עופרת רעילה, העלולה להשפיע על התפתחות המוח בילדים, לגרום למומים מולדים וליצור מגוון השפעות נוירולוגיות, לבביות ואחרות. בארצות הברית לבדה, כ-10 מיליון משקי בית עדיין מקבלים מי שתייה דרך צינורות עופרת.
בדיקת הגדרת חיישן השבב הפוטוני, כולל תא מיקרופלואידי להובלת פתרונות אנליטים וסיבים אופטיים בצדדים למדידת התגובה הפוטונית של השבב. קרדיט: באדיבות החוקרים
"זהו משבר בריאות הציבור ללא מענה שמוביל ללמעלה ממיליון מקרי מוות מדי שנה", אומר ג'יה שו בריאן סיה, פוסט דוקטורט ב-MIT והמחבר הבכיר של המאמר המתאר את הטכנולוגיה החדשה.
עם זאת, בדיקת עופרת במים דורשת ציוד יקר ומסורבל ובדרך כלל דורשת ימים כדי לקבל תוצאות. לחלופין, הוא משתמש ברצועות בדיקה פשוטות שפשוט חושפות תשובה של כן או לא לגבי נוכחות עופרת אך אין מידע על ריכוזה. התקנות הנוכחיות של EPA מחייבות מי שתייה להכיל לא יותר מ-15 חלקים למיליארד של עופרת, ריכוז כה נמוך שקשה לזהות.
טכנולוגיית שבבים פוטוניים חדשנית
המערכת החדשה, שיכולה להיות מוכנה לפריסה מסחרית תוך שנתיים או שלוש, תוכל לזהות ריכוזי עופרת נמוכים עד 1 חלק למיליארד, עם דיוק, באמצעות גלאי פשוט מבוסס שבב השוכן במכשיר כף יד. הטכנולוגיה נותנת מדידות כמותיות כמעט מיידיות ודורשת רק טיפת מים.
הממצאים מתוארים במאמר שפורסם ב-14 במאי בכתב העת תקשורת טבעמאת סיה, סטודנטית לתואר שני ב-MIT והסופר הראשי לואיג'י ראנו, פרופסור Juejun Hu ו-12 נוספים ב-MIT ובמוסדות אחרים באקדמיה ובתעשייה.
Jia Xu Brian Sia (משמאל) ולואיג'י ראנו (מימין) מציגים את שבב החיישן הארוז במלואו ותא המיקרו-נוזל. קרדיט: באדיבות החוקרים
הצוות יצא למצוא שיטת זיהוי פשוטה המבוססת על שימוש בשבבים פוטוניים, המשתמשים באור לביצוע מדידות. החלק המאתגר היה מציאת דרך לחבר אל פני השבב הפוטוני מולקולות מסוימות בצורת טבעת הידועות בשם אתרי כתר, שיכולות ללכוד יונים ספציפיים כמו עופרת. לאחר שנים של מאמץ, הם הצליחו להשיג את ההתקשרות הזו באמצעות תהליך כימי המכונה אסטריפיקציה של פישר. "זו אחת מפריצות הדרך החיוניות שעשינו בטכנולוגיה הזו", אומרת סיה.
בבדיקת השבב החדש הראו החוקרים שהוא יכול לזהות עופרת במים בריכוזים נמוכים כמו חלק למיליארד. בריכוזים גבוהים בהרבה, שעשויים להיות רלוונטיים לבדיקת זיהום סביבתי כגון זנב מכרה, הדיוק הוא בטווח של 4 אחוזים.
רבגוניות ויישומים מעשיים
המכשיר עובד במים עם רמות חומציות שונות, הנעות בין ערכי pH של 6 עד 8, "המכסה את רוב הדגימות הסביבתיות", אומרת סיה. הם בדקו את המכשיר במי ים וגם במי ברז, ואימתו את דיוק המדידות.
על מנת להשיג רמות דיוק כאלה, בדיקת זרם דורשת התקן הנקרא צימוד אינדוקטיבי פְּלַסמָה ספקטרומטר מסה. "ההגדרות האלה יכולות להיות גדולות ויקרות", אומרת סיה. עיבוד המדגם יכול לקחת ימים ודורש צוות טכני מנוסה.
בעוד שמערכת השבבים החדשה שפיתחו היא "החלק המרכזי של החידוש", אומר רנו, תידרש עבודה נוספת כדי לפתח זאת למכשיר משולב כף יד לשימוש מעשי. "להכנת מוצר אמיתי, תצטרך לארוז אותו לגורם צורה שמיש", הוא מסביר. זה כרוך בחיבור לייזר קטן מבוסס שבב לשבב הפוטוני. "זה עניין של עיצוב מכני, קצת עיצוב אופטי, קצת כימיה, והבנת שרשרת האספקה", הוא אומר. למרות שזה לוקח זמן, הוא אומר, המושגים הבסיסיים הם פשוטים.
ניתן להתאים את המערכת כדי לזהות מזהמים דומים אחרים במים, כולל קדמיום, נחושת, ליתיום, בריום, צסיום ורדיום, אומר רנו. ניתן להשתמש במכשיר עם מחסניות פשוטות שניתן להחליף כדי לזהות אלמנטים שונים, כל אחד משתמש באתרי כתר מעט שונים שיכולים להיקשר ליון ספציפי.
השפעה על הבריאות העולמית
"יש בעיה שאנשים לא מודדים את המים שלהם מספיק, במיוחד במדינות המתפתחות", אומר רנו. "וזה בגלל שהם צריכים לאסוף את המים, להכין את הדגימה ולהביא אותה למכשירים הענקיים האלה שהם יקרים מאוד". במקום זאת, "ההתקן הידני הזה, משהו קומפקטי שאפילו צוות לא מיומן יכול פשוט להביא למקור לניטור באתר, בעלויות נמוכות", יכול להפוך בדיקות נרחבות רגילות ומתמשכות לביצוע.
הו, שהוא פרופסור ג'ון פ. אליוט למדע והנדסת חומרים, אומר, "אני מקווה שזה ייושם במהירות, כדי שנוכל להועיל לחברה האנושית. זו דוגמה טובה לטכנולוגיה שמגיעה מחדשנות מעבדה שבה היא עשויה להשפיע באופן מוחשי מאוד על החברה, וזה כמובן מספק מאוד".
"אם ניתן להרחיב את המחקר הזה לגילוי בו-זמנית של מספר יסודות מתכת, במיוחד האלמנטים הנוגעים כיום ליסודות רדיואקטיביים, הפוטנציאל שלו יהיה עצום", אומר Hou Wang, פרופסור חבר למדעי הסביבה והנדסה באוניברסיטת הונאן בסין, שלא היה הקשורים לעבודה זו.
וואנג מוסיף, "המחקר הזה הנדס חיישן המסוגל לזהות באופן מיידי ריכוז עופרת במים. ניתן לנצל זאת בזמן אמת כדי לנטר את ריכוז זיהום העופרת בשפכים הנפלטים מתעשיות כגון ייצור סוללות והיתכת עופרת, מה שמקל על הקמת מערכות ניטור שפכים תעשייתיות. אני חושב שההיבטים החדשניים והפוטנציאל ההתפתחותי של המחקר הזה ראויים לשבח".
וואנג צ'יאן, מדען מחקר ראשי במכון לחקר חומרים בסינגפור, שגם לא היה קשור לעבודה זו, אומר, "היכולת לזיהוי נרחב, נייד וכמותי של עופרת הוכחה כמאתגרת בעיקר בשל העלות. דאגות. עבודה זו מדגימה את הפוטנציאל לעשות זאת בגורם צורה משולב מאוד ותואמת לייצור בקנה מידה גדול ובעלות נמוכה."
הצוות כלל חוקרים ב-MIT, באוניברסיטה הטכנולוגית של Nanyang ובמעבדות Temasek בסינגפור, באוניברסיטת סאות'המפטון בבריטניה, ובחברות Fingate Technologies, בסינגפור, ו-Vulcan Photonics, שבסיסן במלזיה. העבודה השתמשה במתקנים של MIT.nano, מרכז אוניברסיטת הרווארד למערכות ננומטריות, המרכז של NTU למיקרו וננו-אלקטרוניקה, ומרכז ננו-ייצור נאניאנג.
