טכניקות חדשניות לפירוק מתכת כבדות בשתיית מקורות מים

הגידול צריך לגילוי מתקדם של מתכת כבדה בשתיית מים

הגישה למים לשתייה נקיים היא דרישה בסיסית לבריאות הציבור, אך זיהום מתכת כבד נשאר בעיה מתמשכת ומסוכן ברחבי העולם. מתכות כבדות כגון מוביל, כספית, ארסן, קדמיום, כרום, ניקל יכול להיכנס מקורות מים באמצעות שחרור תעשייתי, עצירות חקלאית, רמות הזיקה של כליות, ותהליכים גיאולוגיים טבעיים.

שיטות זיהוי מסורתיות, בעוד מדויק, לעתים קרובות נופלות קצר הצרכים המעשיים של ניטור שגרתי, במיוחד בהגדרות קוד נמוך או במהלך אירועי זיהום חירום. למרבה המזל, פריצות דרך האחרונות בחומרים מדע, אלקטרוכימיה וביוטכנולוגיה נתנו עלייה לדור חדש של טכניקות חדשניות. אלה התקדמות מבטיח להפוך את האופן שבו אנו מזהים מתכות כבדות בשתייה - ביצוע בדיקות מהירות, זולות יותר, וניידות יותר מאי פעם מאמר זה יכול לבחון את היתרונות המבטיחים ביותר של שיטות ניטור, לבחון את היתרונות של שיטות אלה, לבחון את המקיפים, לבחון את ההשפעות שלהם, לבחון את היתרונות של שיטות אלה, לבחון את המשתנים, לבחון את ההשפעות שלהם, לבחון את ההשפעות של מערכות בקרה, לבחון את היתרונות של מערכות בקרה, ולבחון את היתרונות של מערכות בקרה, לבחון את היתרונות של מערכות בקרה, ולבחון כיצד הן יכולות להיות משולבות יותר, לבחון את היתרונות שלהם, לבחון את היתרונות שלהם, לבחון כיצד הן אטרקטיביות, לבחון מחדש של מערכות ניטור, לבחון את היתרונות של מערכות יחסים מבטיחות יותר, לבחון את המשתנים, לבחון את ההשפעות של מערכות בקרה, לבחון את היתרונות של מערכות בקרה, לבחון את היתרונות של מערכות ניטור, לבחון כיצד הן יכולות להיות משולבות יותר מהירות יותר מהירות יותר מהירה יותר, לבחון את המשתנים, לבחון מחדש של מערכות ניטור, ולבחון את היתרונות

השפעות בריאותיות ומקורות משותפים של זיהום מתכת כבד

הבנת מדוע זיהוי מתכת כבד הוא כל כך דחוף מתחיל עם ההכרה בסיכון הבריאותי ואת המסלולים דרכם contaminants אלה להגיע הטיפים שלנו.עופרת, למשל, שמפוזרים צינורות מובילים ישנים ומוכר, ואפילו חשיפה נמוכה ברמת נמוכה יכולה לפגוע בהתפתחות המוח אצל תינוקות וילדים. Arsenic, באופן טבעי קיים במים קרקעיים באזורים רבים, הוא קרגן חזק מקושר לעור, שלפוחית השתן, וסרטן ריאות, לעתים קרובות יכול להיכנס נזקי דם תעשייתי וסרטן מפני זיהומים מסוכנים.

מקורות של זיהום יכול להיות ספציפי נקודה, כגון צינור שחרור מפעל, או diffuse, כמו ריצה משדות חקלאיים שבו מתכות כבדות מצטבר באדמה במשך עשרות שנים. Aging מערכות מים עירוניים, במיוחד בערים מבוגרות, הם מקור עיקרי של מוביל ונחושה. . . . . ⁇ â € ¢ ¢ ¢ מספיק מקומות עם גיאוגרפיה עשירה מינרלים יכול להכיל אורניום ארסן גבוה או ללא סימנים גלויים.

שיטות זיהוי מסורתיות: חיזוקים ומגבלות

במשך עשרות שנים, תקני הזהב לניתוח מתכת כבד היו ספקטרוסקופיה אטומית (AAS) ו- inductive Coupled פלזמה מסה ספקטרוםמטריה (ICP-MS) מכשירים המבוססים על מעבדה אלה פועלים על ידי הקטנת דגימה מים מדידה או פליטת אור באורכי גל ספציפיים האופייניים לכל מתכת, או על ידי פיזור הדגימה ומושגים על ידי יחס מסה לטעינה.

AAS הוא יחסית פשוט ומציע רגישות טובה לניתוח חד-הכלל, אבל זה דורש מנורה ייעודית עבור כל מתכת והוא איטי כאשר בדיקות עבור מספר רב של contaminants. ICP-MS יכול במקביל למדוד עשרות אלמנטים לחלקים לטריליון, מה שהופך אותו חזק במיוחד.עם זאת, שתי השיטות דורשות כלי רכב יקר, אספקת חשמל יציבה, גזים עתירי, ומפעילים מדגימים.

גישות מסורתיות אחרות כוללות את ה- X-ray פלואורescence (XRF) ו- Colorimetric מעבדה אסימונים, אבל כל אחד יש חסרונות. מכשירי XRF הם ניידים אך פחות רגישים למתחרים מתמוססים בריכוזים נמוכים. שיטות Colorimetric מסתמכות על תגובות כימיות שניתן להפריע להן על ידי סטיות אחרות ולעתים דורשות שליטה זהירה של pH וטמפרטורה.

טכניקות חדשניות על עליית

דחיפה לגילוי מתכת כבד בר קיימא, שדה-דהויצי גל של חדשנות.ארבע קטגוריות של טכנולוגיה בולטות: חיישנים אלקטרו-כימיים, רצועות מבחן Colorimetric, חיישנים המבוססים על ננוטכנולוגיה, וביוסנסורים.כל אחד מנף עקרונות שונים כדי להשיג רגישות גבוהה וסלקטיביות, לעתים קרובות בפורמט קומפקטי, נמוך עוצמה.

חיישן אלקטרו-כימי

חיישני אלקטרוכימיים מזהים מתכות כבדות על ידי מדידה של שינויים אותות חשמליים - נוכחי, פוטנציאלי או אימפולס - כאשר כרית מתכת מופחתת או מחמצן על פני משטח אלקטרודה.הטכניקה הנפוצה ביותר היא פסטה מפוספסת תנומטים (ASV), שבו צילומי מתכת הם הראשונים אלקטרו-plated על אלקטרודה עובדתית, ולאחר מכן מסורקת את הפוטנציאל, ומייצרת פסגות נוכחית לריכוז המיקום של גובה המתכת; מזהה את אמצעי הגבהים;

חידושים אחרונים מקטנים את החיישנים האלה באמצעות אלקטרודות מודפסות מסך ומיקרו-קלודיקים. אלקטרודות מבוסס פחמן, שלעתים קרובות השתנו עם סרטים דו-ממדיים או חלקיקים, החליפו אלקטרודות של כספית רעילה, מה שהופך את החיישנים לבטוחים יותר לשימוש שדה. חוקרים פיתחו מכשירים ניידים שפועלים על סוללות, להתחבר לסמארטפון באמצעות Bluetooth, וגילוי, קדרומי, אלומיניום, וכספים, תוך כדי תמיכה בדרגת בגודל של פחות מ- 10 מיליארד דולר.

אחד וריאציות מבטיחות משתמש תנומטים דו-פעמיים (DPV) על אלקטרודות nanostructured כדי לשפר את יחסי אות-לא-רעש. Arrays של אלקטרודות מרובות יכול לזהות כמה מתכות כבדות בו-זמנית.חיישנים אלה משולבים כעת לתוך איכות מים אוטומטית buoys ומערכות ניטור בקו-line עבור צמחי טיפול במים עירוניים.

טרנדים Test Strips

רצועות מבחן Colorimetric מציעים את האולטימטיבי בפשטות: נייר חד פעמי או פס פלסטיק שמשנים צבע כאשר נחשפים למתכת כבדה מטרה.שינוי הצבע מבוסס בדרך כלל על תגובה כימית בין כרית המתכת וצבע אינדיקטור ספציפי, ויצרו קומפלקס צבעוני.על ידי השוואת רצועת לטבלת התייחסות או סריקה אותו עם מצלמה סמארטפונים, המשתמש יכול להעריך את הריכוז.

פסים אלה היו זמינים במשך שנים עבור פרמטרים כגון pH, chlorine, וקשידות, אבל מרחיב אותם מתכות כבדות נדרש להתגבר על אתגרים של רגישות והתערבות. ההתקדמות האחרונה להשתמש מיקרו-השפעה נייר עם ערוצים מעוצבים כי wick את דגימת המים דרך אזורים לפני עומס עם רמות סלקטיבית של חלקיקים.

פסים צבעוניים הם בעלות נמוכה מאוד (פניות למבחן), דורשים כוח, וניתן להשתמש בהם על ידי צוות מאומן מינימלי, מה שהופך אותם אידיאליים עבור ניסויים קהילתיים באזורים כפריים או עבור תגובה חירום לאחר אירוע זיהום חשוד. הצד התחתון הוא כי הם לעתים קרובות חצי-אנטי-דיוק - מתן טווח ריכוז ולא מספר מדויק - ויכול להיות מושפע על ידי התנגשויות, טמפרטורה, נוכחות מדויקת עם דיוק, עם אלגוריתמים של אלגוריתמים, עם דיוק, עם דיוק, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים של אלגוריתמים, עם דיוק, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים של אלגוריתמים, עם דיוק, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים של אלגוריתמים, עם דיוק, עם אלגוריתמים מדויקים יותר, עם דיוק, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים, עם דיוק, עם דיוק, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים עם דיוק, עם דיוק, עם אלגוריתמים, עם דיוק, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים של אלגוריתמים, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים, עם אלגוריתמים, עם

חיישן מבוסס ננוטכנולוגיה

ננו-חומרים - חומרים עם לפחות ממד אחד בין 1 ל-100 ננומטרים - יש יחסי משטח יוצאי דופן לנפח, טונובל אופטי ואלקטרוני, ותגובה גבוהה שהופכים אותם אידיאליים לרגישות ברמות מעקב.

צינורות פחמן (CNTs) ו גרפן משמשים נרחב בגלל מוליכות חשמלית מעולה שלהם משטח משטח גדול. כאשר פונקציונלי עם מולקולות כי באופן סלקטיבי נקשר מתכות כבדות, ההתנגדות החשמלית של CNT או גרפן שינויים על מחייב, מתן קריאה אלקטרונית ישירה חיישנים כאלה יכולים לזהות זרמי מתכת בודדים ויש להם זמני תגובה בתוך שניות.

דוטים קוונטיים - nanocrystals כי פלואורוססה - הם כלי רב עוצמה אחר.כאשר מתכות כבדות נקשרות אל פני השטח הקוונטי של dot, הם קוצצים או לשפר את השטף, עם שינוי אינטנסיבי משתנה ביחס לריכוז. על ידי שימוש סוגים שונים של דוטים קוונטיים פולטים בצבעים שונים, גילוי מרובים של כמה מתכות אפשרי בירידה אחת של מים.

מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs), חומר גבישי עם גדלים טונהיים בדיוק ופונקציונליות כימית, הם גם מושכים תשומת לב. הם יכולים להצטבר מתכות כבדות מן כמויות גדולות של מים, שיפור הרגישות, ויכולים לשלב כתבים אופטיים או אלקטרוכימיים. חיישנים ננוטכנולוגיה הם עדיין במידה רבה בשלב המחקר והפיתוח, אבל מכשירים אבטיפוס הם שדה-מבחן שלהם הם ארוך טווח יציבות של מים אמיתיים, אבל קצב ייצור מהיר.

Biosensors

ביוסנסורים רותמים את הספציפיות העדינה של מולקולות ביולוגיות לזהות מתכות כבדות.אלמנטים ביו-recognition נפוצים כוללים אנזים, נוגדנים ו- DNAzymes. לדוגמה, urease האנזים הוא מעכב על ידי מתכות כבדות כמו כספית ועופרת; על ידי מדידה הירידה בפעילות האנזימטית, ריכוז המתכת ניתן להפריש.

גישה אלגנטית במיוחד משתמשת ב-DNAzymes: strands קצרים של DNA כי קטזה תגובה רק בנוכחות מתכת מטרה.עבור מוביל, ה- DNA8-17 zyme הוא מאוד סלקטיבית, מנקה strate substrate strate כאשר ions להוביל הם נוכחים. ⁇ זה יכול להיות מזוהה על ידי פלואורסנס או צבע.

ביוסנסורים מציעיםסלקטיביות יוצאת דופן - הם יכולים להבחין בין מתכות כבדות דומות מבחינה כימית - וניתן להנדס רק לשבריר ביו-זמינות של מתכת, שהיא הצורה הרלוונטית ביותר ל רעילות.המגבלות העיקריות הן כי רכיבים ביולוגיים יכולים להידרדר לאורך זמן, הדורש טיפול קפדני ואחסון, וכי התגובה יכולה להיות מושפעת מ- pH וטמפרטורה.

יתרונות השוואתיים ומימוש עולמי

אין טכניקת זיהוי אחת מושלמת לכל תרחיש.הבחירה הטובה ביותר תלויה ביישום הספציפי: ניטור תאימות רגולטורי, בדיקות שגרתיות, תגובה חירום, או מחקר. חיישנים אלקטרו-כימיים לוכדים איזון בין עלות ודיוק כמותי, מה שהופך אותם מתאימים למדידות שדה חוזרות ומערכות התראה מוקדמות. רצועות בדיקה Colorimetric הצטיין במצבים שבהם מהיר, כן / אין תשובות נדרשים והיכן הכשרה מינימלית זמינה חיישנים המבוססים על מתכת וניתן להפוך לאפקטיביות סטנדרטית עבור ניתוחים אופטיים סטנדרטיים עבור ניתוח אופטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים של חומרים סטנדרטיים עבור ניתוח אופטיים של חומרים סטנדרטיים עבור ניתוח אופטיים יכול להיות מסוגל לספק את הפחתת חומרים אופטיים עבור חומרים אופטיים עבור חומרים אופטיים.

יתרון מפתח נוסף המשותף על ידי רבים של שיטות חדשניות אלה הוא היכולת שלהם להשתלב באינטרנט של דברים (IoT) חיישנים מופעלים סוללה עם העברת נתונים אלחוטית יכול להיות פרוס במקומות מרובים ולשלוח קריאה למקלט מרכזי בזמן אמת.כלי מים יכולים לקבל התראות מיידיות אם רמה contaminant עולה על סף, המאפשר תגובה מהירה להגן על בריאות הציבור.

עלויות הן ניתוח מעבדה מסורתי יכול לעלות $ 20 ל 100 עבור מתכת בודד, ועוד עבור פאנל מלא. שבב חיישן אלקטרוכימי חד פעמי עשוי לעלות 1-5 $, ואת המכשיר הקורא כמה מאות דולרים. רצועות Colorimetric יכול לעלות תחת $ 1 למבחן. הפחתה דרמטית זו הופכת אותו אפשרי מבחינה כלכלית לבדיקת מים לעתים קרובות יותר ויותר נקודות, לתפוס זיהום כי יכול אחרת ללכת ללא ניכוי.

עם זאת, טכניקות חדשניות אלה אינן מוגבלות.מרבית חיישני השדה עדיין לא עברו את האישור הקפדני הנדרש על ידי סוכנויות רגולטוריות לצורך ניטור תאימות. הם לעתים קרובות אושרו רק למטרות סינון, עם תוצאות חיוביות הדורשות אישור על ידי מעבדה מאושרת באמצעות AAS או ICP-MS. Interference מחומר אורגני טבעי, מתמוסס מלחים וריאציות pH יכולות להשפיע על ביצועים.

סליחות ונוף לאימוץ

עבור כל שיטת גילוי להיות מאומצת באופן נרחב במערכות מים ציבוריות, זה חייב לעמוד בסטנדרטים שנקבעו על ידי הרשויות כגון EPA, WHO, או גופים רגולטוריים לאומיים.רשימת המתודולוגיות המאושרות של EPA עבור מים לשתייה כוללת חבילת מוגבלת של טכניקות, בעיקר AAS, ICP-MS, ו- ICP-OES ניתן להשתמש בשיטות חלופיות בתנאים מסוימים אם הם עוברים תהליך אימות קפדני, כולל יעילות מוכחת להליך משמעותי, כולל התייחסות משמעותית וניתן לקחת שנים.

עם זאת, יש הכרה גוברת כי מסגרת הרגולציה הנוכחית מפגרת אחרי חדשנות טכנולוגית.ה-EPA ביססה את יוזמת אבטחת המים ואת מערכת בקרת איכות המים ותגובה, אשר מעודדת את השימוש בטכנולוגיות ניטור מקוונים וחיישנים.מדינות מסוימות החלו לקבל נתונים מחיישנים מסוימים שדה עבור תוכניות ניטור מים קרקעיים.הסקר הגיאולוגי של ארה"ב משתמש באופן נרחב בחיישנים שדה למחקר ו.

בינתיים, גופי הסמכה כמו NSF אינטרנשיונל מפתחים סטנדרטים עבור ערכות בדיקת מים ניידים. שיתוף פעולה בין חוקרים, יצרנים, ורגולטורים יהיה חיוני כדי ליצור קריטריונים ביצועים המבטיחים בטיחות ציבורית ללא חידושים ממריצים.

כיוונים עתידיים ואינטגרציה

הדור הבא של מערכות זיהוי מתכת כבד יהיה כנראה לשלב מספר עקרונות רגישות ומפרט. מכשיר "מעבדה-על-עצ'יפ" עשוי לשלב מודול הכנה מדגם מיקרו-השפעה, מערך חיישן אלקטרוכימי, רצועת צבעית, ו- DNAzyme מבוסס שבב אקדמי יחיד.המכשיר יכול לנתח דגימה מים עבור דו"ח כבד, בו זמנית, מתכות בתוך חמש דקות של פיתוח ענן ומערכת פיתוח ענן.

אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונה גם משחק תפקיד גדול יותר.אלגוריתמים של זיהוי דפוס יכולים לפרש אותות מורכבים ממערך חיישן, להבחין בין פסגות מתכת כבדות חפיפה ותיקון אפקטים ממטריקס.מודלים למידה מכונה המאומנים על נתונים גדולים של מדידות איכות מים יכולים לחזות אירועים זיהום לפני שהם מתרחשים, המאפשר ניהול פרואקטיבי.לדוגמה, שינויים ב pH, התנהגותיות, או זעזועים עלולים להאפילפסיה עבור ממין של מתכות מוקדמות, יכול לספק חיישנים מצופים מוקדם, עם חיישנים מוקדמים, עם חיישנים.

גבול נוסף הוא השימוש בהנחיות של FLT:0 (WHO) ל- שתיית מים איכות מים ווטרב 1 כמדנים למגבלות זיהוי מקובלות.חיישנים עתידיים חייבים להיות מסוגלים לזהות מתכות או מתחת לרמות אלה להיות באמת מגינים.עבור כספית, המדריך הוא 1 μg / L (1 pb); עבור מוביל, 10 מיקרוגרם / L; עבור ארסן, 10 מיקרוגרם / L נוכחית / חיישנים כבר נשלטים.

בדיקות מים מבוזרות יכולות להיות השפעות טרנספורמטיביות על בריאות גלובלית. בחלקים רבים של אפריקה, אסיה ואמריקה הלטינית, קהילות מסתמכות על מי קרקע שלא מטופלת שעשוי להכיל באופן טבעי ארסן או פלואוריד.אספקת ערכות מבחן בעלות נמוכה, פשוט ואמינה מעצימה ועדות מים מקומיות לפקח על אספקתם האישית או על מקורות חלופיים.

למידע מפורט יותר על השפעות הבריאות של מתכות כבדות, הקוראים יכולים להתייעץ עם משאבים מהתוכנית למניעת הריון:0CDC תוכנית מניעה מובילה של מניעת מובילי (FLT:1) ו-FLT:2ATSDR פרופילים רעילים מובנים (FLT 3: 3).

מסקנה

הבטחת בטיחות של שתיית מים דורשת שיטות זיהוי רגישות, ספציפיות, מהירות ומחיר סביר של טכניקות מעבדה מסורתיות כמו AAS ו- ICP-MS להישאר תקן הזהב של דיוק, אך הם מתאימים לנטר הנפוץ, תכופים כי היקף של בעיית המתכת הכבדה דורש.טכניקות חדשניות - חיישנים אלקטרו-כימיים, רצועות בדיקה צבעיות, חיישנים המבוססים על ננוטכנולוגיה, bioensors - יכולות להיות חלופות מעשיות עבור רשתות דיגיטליות, וטכנולוגיות שאינן מחוברות.

בעוד אתגרים נשארים במונחים של סטנדרטיזציה, אימות ועוצמה, המסלול ברור.ההתכנסות של חומרים זולים בעלות נמוכה, אלקטרוניקה זעירה, תקשורת אלחוטית, ואינטליגנציה מלאכותית יוצרת פרדיגמה חדשה עבור ניטור איכות מים.כפי שטכנולוגיות אלה בוגרות ולהשיג קבלה רגולטורית, הם ישחקו תפקיד מרכזי בהגנה על קהילות מפני האיום השקט של זיהום מתכת כבד.