Gli ingegneri del MIT, della Nanytang Technological University e di diverse aziende hanno sviluppato una tecnologia compatta ed economica per rilevare e misurare le concentrazioni di piombo nell'acqua, consentendo potenzialmente un progresso significativo nell'affrontare questo persistente problema sanitario globale.
L’Organizzazione Mondiale della Sanità stima che 240 milioni di persone in tutto il mondo siano esposte all’acqua potabile che contiene quantità pericolose di piombo tossico, che può influenzare lo sviluppo del cervello nei bambini, causare difetti alla nascita e produrre una serie di effetti neurologici, cardiaci e altri effetti dannosi. Nei soli Stati Uniti, si stima che 10 milioni di famiglie ricevano ancora l'acqua potabile tramite tubi di piombo.
"Si tratta di una crisi sanitaria pubblica non affrontata che porta a oltre 1 milione di morti ogni anno", afferma Jia Xu Brian Sia, postdoc del MIT e autore senior dell'articolo che descrive la nuova tecnologia.
Ma i test per il piombo nell’acqua richiedono attrezzature costose e ingombranti e in genere occorrono giorni per ottenere risultati. Oppure utilizza semplici strisce reattive che rivelano semplicemente una risposta sì o no sulla presenza di piombo ma nessuna informazione sulla sua concentrazione. Le attuali normative EPA richiedono che l'acqua potabile non contenga più di 15 parti per miliardo di piombo, una concentrazione così bassa che è difficile da rilevare.
Il nuovo sistema, che potrebbe essere pronto per l’implementazione commerciale entro due o tre anni, potrebbe rilevare concentrazioni di piombo fino a 1 parte per miliardo, con elevata precisione, utilizzando un semplice rilevatore basato su chip alloggiato in un dispositivo portatile. La tecnologia fornisce misurazioni quantitative quasi istantanee e richiede solo una goccia d'acqua.
I risultati sono descritti in un articolo apparso oggi sulla rivista Nature Communications , di Sia, lo studente laureato del MIT e autore principale Luigi Ranno, il professor Juejun Hu e altri 12 del MIT e altre istituzioni del mondo accademico e industriale.
Il team si è proposto di trovare un metodo di rilevamento semplice basato sull'uso di chip fotonici, che utilizzano la luce per eseguire misurazioni. La parte più impegnativa è stata trovare un modo per attaccare alla superficie del chip fotonico alcune molecole a forma di anello note come eteri corona, che possono catturare ioni specifici come il piombo.
Dopo anni di sforzi, sono riusciti a raggiungere questo obiettivo attraverso un processo chimico noto come esterificazione Fischer. "Si tratta di uno dei passi avanti fondamentali che abbiamo compiuto in questa tecnologia", afferma Sia.
Nel testare il nuovo chip, i ricercatori hanno dimostrato che è in grado di rilevare il piombo nell’acqua a concentrazioni fino a una parte per miliardo. A concentrazioni molto più elevate, che possono essere rilevanti per testare la contaminazione ambientale come i residui delle miniere, la precisione è entro il 4%.
Il dispositivo funziona in acqua con diversi livelli di acidità, che vanno da valori di pH compresi tra 6 e 8, "che copre la maggior parte dei campioni ambientali", afferma Sia. Hanno testato il dispositivo con acqua di mare e di rubinetto e hanno verificato l'accuratezza delle misurazioni.
Per raggiungere tali livelli di precisione, i test attuali richiedono un dispositivo chiamato spettrometro di massa al plasma accoppiato induttivo. "Queste configurazioni possono essere grandi e costose", afferma Sia. L'elaborazione del campione può richiedere giorni e richiede personale tecnico esperto.
Sebbene il nuovo sistema di chip sviluppato sia "la parte centrale dell'innovazione", afferma Ranno, sarà necessario ulteriore lavoro per svilupparlo in un dispositivo portatile integrato per uso pratico. "Per realizzare un prodotto vero e proprio, dovresti confezionarlo in un fattore di forma utilizzabile", spiega. Ciò comporterebbe l'avere un piccolo laser basato su chip accoppiato al chip fotonico.
"È una questione di progettazione meccanica, un po' di progettazione ottica, un po' di chimica e di capire la catena di fornitura", afferma. Sebbene ciò richieda tempo, afferma, i concetti di base sono semplici.
Il sistema può essere adattato per rilevare altri contaminanti simili nell’acqua, tra cui cadmio, rame, litio, bario, cesio e radio, afferma Ranno. Il dispositivo potrebbe essere utilizzato con semplici cartucce che possono essere scambiate per rilevare elementi diversi, ciascuno utilizzando eteri corona leggermente diversi che possono legarsi a uno ione specifico.
"C'è questo problema che le persone non misurano abbastanza l'acqua, soprattutto nei paesi in via di sviluppo", dice Ranno. "E questo perché devono raccogliere l'acqua, preparare il campione e portarlo a questi enormi strumenti che sono estremamente costosi."
Invece, "avere questo dispositivo portatile, qualcosa di compatto che anche il personale non addestrato può portare alla fonte per il monitoraggio in loco, a costi bassi," potrebbe rendere fattibili test diffusi regolari e continui.
Hu, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso John F. Elliott, afferma:"Spero che questo venga implementato rapidamente, in modo da poter apportare benefici alla società umana. Questo è un buon esempio di tecnologia proveniente da un'innovazione di laboratorio in cui potrebbe effettivamente avere un impatto molto tangibile sulla società, il che ovviamente è molto appagante."
"Se questo studio potesse essere esteso al rilevamento simultaneo di più elementi metallici, in particolare degli elementi radioattivi, il suo potenziale sarebbe immenso", afferma Hou Wang, professore associato di scienze ambientali e ingegneria presso l'Università di Hunan in Cina, che non è stato associato a questo lavoro.
Wang aggiunge:"Questa ricerca ha progettato un sensore in grado di rilevare istantaneamente la concentrazione di piombo nell'acqua. Questo può essere utilizzato in tempo reale per monitorare la concentrazione di inquinamento da piombo nelle acque reflue scaricate da industrie come la produzione di batterie e la fusione del piombo, facilitando la creazione di sistemi di monitoraggio delle acque reflue industriali. Penso che gli aspetti innovativi e il potenziale di sviluppo di questa ricerca siano davvero encomiabili."
Wang Qian, uno dei principali ricercatori presso l'Istituto di ricerca sui materiali di Singapore, anch'egli non affiliato a questo lavoro, afferma:"La capacità di rilevamento pervasivo, portatile e quantitativo del piombo si è rivelata impegnativa principalmente a causa dei costi preoccupazioni. Questo lavoro dimostra il potenziale per farlo in un fattore di forma altamente integrato ed è compatibile con la produzione su larga scala e a basso costo."
Il team comprendeva ricercatori del MIT, della Nanyang Technological University e dei Temasek Laboratories di Singapore, dell’Università di Southampton nel Regno Unito, e delle società Fingate Technologies, a Singapore, e Vulcan Photonics, con sede in Malesia. Per il lavoro sono state utilizzate le strutture del MIT.nano, del Centro per i sistemi su nanoscala dell'Università di Harvard, del Centro di micro e nanoelettronica della NTU e del Nanyang Nanofabrication Center.
Ulteriori informazioni: Luigi Ranno et al, L'etere della corona ha decorato la fotonica del silicio per la protezione dall'avvelenamento da piombo, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47938-6
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
