מים לשתייה בטוחה הם צורך אנושי בסיסי, אך אינספור קהילות ברחבי העולם להתמודד עם זיהום מתכות כבדות, פתוגנים וכימיקלים תעשייתיים.שיטות בדיקות מים מסורתיות, כגון ספקטרוסקופיה אטומית ו-תרבותיות כפי שמתבססות על תרבות, שימשו כמדדים אמינים במשך עשרות שנים.אבל טכניקות אלה נאבקות לעתים קרובות לזהות מורדים בריכוזים נמוכים מאוד המוכר כיום כגורמים מזיקים על ידי סוכנויות בריאות.

מימון של ננוטכנולוגיה והתנהגות חומרית ב-Nanoscale

ננוטכנולוגיה היא מדע של חומרים הנדסיים בקנה מידה בין 1 ל -100 ננומטרים. במשטר בגודל זה, חומרים מציגים תכונות שונות במידה ניכרת ממקביליהם הגדולים ביותר. יחס פני השטח הגבוה של חלקיקים בין 1 ל -100 ננומטרים לנפח פירושו כי שיעור גדול יותר של אטומים נמצאים על פני השטח, שבו הם יכולים אינטראקציה עם נוגדנים עצביים ספציפיים.

תיבת הכלים של ננוטכנולוגיה כוללת לא רק חלקיקים spherical אלא גם ננו-בוטיקים, ננו-חוטים, ננו-גליונות, ומבנים ננו-אנתרופולוגיה.כל גיאומטריה מביאה יתרונות נפרדים: ננו-בוטיקים יכולים לפעול כחוטים מולקולריים לחישה חשמלית, ננו-גליונות מספקים פלטפורמות גדולות עבור מטרות מרובות, וסרטים ננו- ⁇ יכולים לרכזים ליד משטח של שליטה בקפידה, וגלות, וגלומטר, וגלומטר, וגלומטר, כלומר, כלומר, יכולים לזהות כימיקלים מדויקים, כדי לזהות , וגלומטרים, וגלויים, כדי לזהות , מזהמים, כדי לזהות , חומרים כימיים ספציפיים, כדי לבחור מזהמים ספציפיים, כדי לבחור מזהמים ספציפיים, עם חומרים מדויקים, עם חומרים כימיים ספציפיים, עם חומרים מדויקים.

מכניזם על ידי איזו ננוטכנולוגיה משפר את רגישות המים

שילוב nanomaterials למכשירים אנליטיים מגביר אותות שאחרת יהיו בלתי ניתנים לגילוי. כמה מנגנונים מרכזיים להסביר את השיפור הזה.

התחדשות פני השטח וזיהוי Colorimetric

חלקיקים זהב וכסף מוצגים ספיגה חזקה ופיזור אור באורכי גל ספציפיים בשל התחדשות משטח מקומי (LSPR) כאשר contaminants היעד נקשרים משטח nanoparticle פונקציונלי, מדד השבירה המקומי משתנה, גרימת שינוי צבע מדידה מהירה, ללא גירוי צבע מופעלת.

פלואורנס ו- Quantum Dots

(הופנה מהדף QuDs) הם גבישים ננוקליים פולטים טונה בהירה ויציבה פלואוסטרנטית בגודל חלקיקים.כאשר הם תועדו עם מולקולות זיהוי כגון נוגדנים או aptamers, QDs לפעול כמו בדיקות פלואורסנט עבור פתוגנים ורעלים (Falus) היה מאפשר זיהוי מרובים-D צבעים תואמים ל contaants שונים בדגימה אחת (Fon-F) אשר שימשהתקדמיתק"מחדשהת) של ריכוז נמוך יותר (FD) ו-FD) בין תאים רגישים).

חיישנים אלקטרו-כימיים ושדה-Effect Transistor

ננו-בוטיקים (CNTs) וגליונות גרפן יש מוליכות חשמלית יוצאת דופן ורגישות גבוהה לשינויים בסביבה המקומית שלהם.כאשר פונקציונליים עם מולקולות קולטן, CNT-based-based- Effect Transistors (FET) יכולים לזהות אירועים מחייבים כמו שינויים דקות בהתנהלות.com עובד עבור ניטור בזמן אמת של תנוחות וחנקות במים, ובכך להשיג מגבלות רבות מתחת לסף אלקטרו-Fensיבי כגון מדגישהספקת מיקום חיצוני של תכונות של תכונות של תכונות.

יישומים ספציפיים של ננוטכנולוגיה בבדיקת מים

השיפורים הרגישות שסופקו על ידי ננו-חומרים הוכחו בטווח רחב של כיתות contaminant. להלן דוגמאות מפורטות של המקום בו ננוטכנולוגיה הופכת את ההשפעה הגדולה ביותר.

גילוי מתכת כבדה

מוביל, כספית, קדמיום, וכרום הם רעילים אפילו בריכוזים עקבות. שיטות ספקטרום אטומי דורשות כלי רב, יקר ומפעילים מיומנים.Nanomaterial מבוסס חיישנים מציעים אלטרנטיבה. Silver nanoparticle-decorated Gratroene oxides, למשל, יכול לזהות כספית ions ב <1 pb באמצעות משטח-enance Goldmaning (S) מאפשר זיהוי צבע מולקולרי של זיהוי אדום של DNA פשוט של שימוש בזיהוי של אותות.

עקבו אחרי Pathogen

זיהום מיקרוביאלי הוא גורם מוביל של התפרצויות של מחלות מיבורן. גילוי מהיר ורגיש הוא קריטי למניעת מחלה. ננוטכנולוגיה מאפשר ללכוד ולריכוז של חיידקים ווירוסים מנפח מים גדול. חלקיקים מגנטיים המצופה נוגדנים ספציפיים יכולים למשוך פתוגנים מתוך מדגם תחת שדה מגנטי חיצוני, תוך התמקדות אותם לתוך נפח קטן לאחר מכן של גילוי פולינזיס (CRS) או זיהום אוויריאלי (Fsay) מאוחר יותר כמו גם הסתברות סטנדרטית של זיהום אוויריתום) אשר פותחה של תאים בודדים של תאים בודדים של תאים בודדים כגון מיקרוסקופיים (Foid) אשר פותחים תחת שדה מגנטיים תחת שדה מגנטיים).

Pesticide ו-Herbicide Residues

(היפוף החקלאי מציג קוקטייל של חומרים אורגניים מקורות מים.חומרים רבים, כגון אוברפוספוס, הם נוירוטוקרטיים ודורשים ניטור רגיש.אסtylcholinesterase Assays נפוצים, אבל הרגישות שלהם מוגבלת על ידי לכידת רמות האנזים על חלקיקים זהב או CNTdes אלקטרודות, אפקט מעכב על פעילות האנזים של אמריקה יכול לשמש עם דיוק גדול יותר, סלקציה של חומר כימי, אשר ניתן לבודדת של מחקר:

מפתחת: תרופות ומיקרופלסטיקה

שאריות תרופות, מוצרי טיפול אישיים, ומיקרופלסטים מייצגים דאגה גוברת לאיכות המים. חלקיקים אלה נמצאים לעתים קרובות nanogram לריכוזים ליטרים ואינם מושפעים על ידי טיפול קונבנציונלי.ננוטכנולוגיה מותאם לגילוי שלהם.לדוגמה, חלקיקים מולקולריים בגודל מיקרומטר (MIPs) הם קולטנים סינתטיים כי ליצור ננו-חומרים מעוצבים במיוחד עבור מטרה, כגון סגסוגת אלומיניום יכול לזהות מיקרו-תזונה אחת או צינורות מתכתיים.

היתרונות של ננוטכנולוגיה על שיטות אמנותיות

היתרונות של שילוב ננו-חומרים לבדיקות מים אינם רק מצטברים; הם מייצגים שינוי פרדיגמטי ברגישות, מהירות ונגישות. סיכום ברור של היתרונות האלה כולל:

  • (FLT:0) גבולות גילויי גבולות:FLT:1Ninanananomaterial חיישנים להשיג באופן שגרתי את הרגישות של חלק-עשרים, סדר גודל מתחת לטכניקות קונבנציונליות.
  • (FLT:0)Faster Response Times: FLT:1, שטח פני השטח הגבוה ומנגנוני ניכוי ישיר להפחית את הזמן הדרוש עבור דור מחייב אותות, עם חיישנים רבים המספקים תוצאות בתוך שניות עד דקות.
  • (FLT:0) יכולת ומיניטוריזציה:FLT:1 רכיבים ננומטריים מאפשרים שמירה או אפילו מכשירים לבישים, להביא ניתוח ברמת מעבדה לשדה.
  • (ב) ⁇ :0) ניטור בזמן אמת: 1FLT:1 רציף, מדידה של contaminants הופכת להיות אפשרית, ומאפשר התראות מיידיות כאשר מתרחשים ספייקים בזיהום.
  • (FLT:0)Multiplexed Detection:FLT:1 ננו-חומרים עם תכונות נפרדות ניתן לשלב בו-זמנית כדי לזהות מספר contaminants בדגימה אחת, לחסוך זמן ונפח מדגם.
  • (FLT:0) Cost-Effectiveness:FreaLT:1 , למרות סינתזת ננו-חומרית יכולה להיות יקרה, ההפחתה במורכבות כלי ואת היכולת לבצע ניתוח גבוה באמצעות חישוב לעתים קרובות מורידה את העלות הכוללת לבדיקה.

יתרונות אלה מניעים אימוץ של בדיקות ננו-טק-מתואר במסגרות מגוונות, מתחנות טיפול במים עירוניים ועד קהילות כפריות מרוחקות ופעולות סיוע הומניטריות.

אתגרים ומגבלות של בדיקות מים מבוססות ננוטכנולוגיה

למרות הבטחתו, הפריסה של ננו-חומרים בניתוח מים שגרתית עומדת בפני כמה מכשולים שיש לטפל בהם לפני מסחר נרחב.

סובלנות ודאגות סביבתיות

ננו-חומרים עצמם מהווים סיכון פוטנציאלי לבריאות ולסביבה.לדוגמה, חלקיקים כסף הם אנטימיקרו-מיקרוביאלי, אשר שימושי עבור חיישנים אבל עלול לפגוע בחיידקים מועילים אם הם משוחררים לתוך מערכות אקולוגיות מימיות.

חידוש ו Scalability

הסינתזה של ננו-חומרים עם גודל עקבי, צורה ותפקוד פני השטח מאתגרת.באטצ'-ל-באטץ' וריאציות יכולות להוביל לביצוע חיישן בלתי מהימן. Scaling את הייצור מכמויות דקדוק במעבדה לקלג' לשימוש מסחרי תוך שמירה על בקרת איכות נותרה מכשול הנדסי משמעותי.

השוואות בין מים אמיתיים

מים טבעיים מכילים תערובת מורכבת של חומר אורגני מבוזר, מלחים, ובודדים שיכולים להפריע לגילוי מבוסס ננו-חומרי.לא ספציפית מחייב של חומצות לחות על פני השטח nanoparticle עלולים להסוות את המטרה או לגרום חיובי כוזב. Fouling של משטחים חיישן היא בעיה מסוימת עבור ציפויים משטחים רצופים, אשר מתנגדים אלגוריתמים ביו-פעמי עיבוד אותות חכמים מפותחים להשפעות כוזבות, אך מוכחות אלה הן חייבות להיות בעיות מסוימות עבור ניטור רציף.

שילוב ואימון משתמשים

חיישנים ננו-חומריים רבים דורשים טיפול זהיר, קלמנט ופרשנות נתונים.עבור פריסת שדה, המכשירים חייבים להיות ידידותיים למשתמש וחוספסים.המעבר מהוכחה מעבדה למוצר אמין לוקח לעתים קרובות שנים של עיצוב רציונטיבי.

כיוונים עתידיים וחידוש ננוטכנולוגיה

התחום מתקדם במהירות, עם ננו-חומרים חדשים ואסטרטגיות זיהוי מופיעים באופן קבוע.מספר מגמות מצביעות על רגישות רבה יותר ומעשיות.

מעבדה-on-a-Chip ושילוב מיקרו-השפעהי

שילוב nanomaterials עם ערוצי מיקרו-השפעה מאפשר יצירת מערכות ניתוח אוטומטי לחלוטין, נמוך כרכים נמוך כרכים. אלה מעבדה-on-a-chip התקנים יכול לבצע הכנה מדגם, ריכוז, זיהוי, שידור נתונים בפורמט קומפקטי.לדוגמה, רמות שבבים מיקרו-השפעהיים אלה משלבים אלקטרודות מבוסס גרפן יכול למדוד מתכות כבדות רבות בו זמנית באמצעות מוטציות שונות בתבנית קומפקטית: 15 דקות של פחמן, ברקלי, ps, אשר הוכיחו שבבים של פחמן 1D2, 000, אשר מכילות, 000עופרת, 000 של פחמן, 000, 000, אשר מכילות נחושת, 000 של פחמן מבוסס LTF, אשר מכילות, 000, 000, 000 של פחמן, אשר מכיל אלקטרודות נחושת, 000, 000, 000, 000 של פחמן מבוסס , 000, 000, 000, 000, 000 של נחושת, 000 של פחמן מבוסס , 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, אשר משלבת, 000, 000 של אלקטרודות נחושת, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, אשר משלבת נחושת, 000, אשר משלבת נחושת, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מנועים נחושת, 000,

שני חומרים חריגים מעבר Graphene

Molybdenum disulfide (MoS2) ו MXenes הם מתעוררים כמו חומרים רגישים מאוד רגישה. MoS2 ננוגליונות להראות שטח משטח גדול ו- able טונגהp כי הוא מגיב למודעות מולקולרית. חיישנים גז מבוסס על MoS2 הם ידועים, אבל לאחרונה עבודה מרחיבה זה כדי מים שנולדו אנאליים. MXenes, שיעור של מעבר מתכת וגורמים חנקים ספציפיים.

Machine Learning and Sensor Arrays

מאחר שנתוני חיישן הופכים מורכבים יותר בשל השימוש ב- nanomaterials מרובים, אלגוריתמי למידת מכונה מועסקים כדי לפרש דפוסים. Arrays של חיישנים עם מעט סלקטיביות שונות יכול ליצור תגובה "טביעה אצבע" עבור כל contaminant, בדומה לאף אלקטרוני אבל עבור מים. גישה זו, הנקראת טכנולוגיית שפה אלקטרונית, יכולה לסווג דגימות לא ידועות ואפילו לחזות ריכוזים עם דיוק גבוה.

Biomimetic ו- Bio-Inspired Nanostructures

הטבע מספק השראה עבור מערכות זיהוי סלקטיביות ורגישות מאוד. אנזים מלאכותיים, או ננואז'ים, הם ננו-חומרים המחקים את הפעילות הקטליטית של אנזימים ביולוגיים אבל הם יציבים וזולים יותר לייצר. חלקיקים של ברזל עם פעילות דמוית peroxidase שימשו לפיתוח אסימונים קוליים עבור מימן peroxide ו גלוקוז, וכעת הם מותאמים לגילוי של צינורות כי ניתן לרכזים של חומרים המשמשים כדי לשפר את רמות של חומרים של חומרים כימיים.

מסקנה

ננוטכנולוגיה היא שינוי יסודי של הנוף של בדיקות מים על ידי לחיצה על גבולות גילוי רחוק מתחת למה שיטות קונבנציונליות יכול להשיג.מ בדיקות צבע חלקיקים חלקיקים עבור מתכות כבדות כפי שמעידים על פתוגנים, תיבת הכלים של חומרים ננומטריים מאפשר ניטור טבעי, מהיר יותר, נייד יותר, נגיש יותר ניטור איכות מים, בעוד אתגרים הקשורים רעילות, התחדשות, ומציאות אמיתית, נשארים חיישנים מתקדמים יותר, להמשיך לפתח אקלים עולמי, עוזר שמירה על איכות חיים מתקדמת, כמו גם על איכות עולמית מתקדמת, עוזר.