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5 juin 2023

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par l'Université de Glasgow

Selon ses développeurs, une nouvelle forme de capteur de pollution de l'eau imprimé en 3D à faible coût pourrait faire sensation dans le monde de la surveillance de l'environnement.

Une équipe de chercheurs d'universités écossaises, portugaises et allemandes a mis au point le capteur, qui peut aider à détecter la présence de très faibles concentrations de pesticides dans des échantillons d'eau.

Leur travail, décrit dans un nouvel article publié aujourd'hui dans la revue Macromolecular Materials and Engineering, pourrait rendre la surveillance de l'eau plus rapide, plus facile et plus abordable.

Les pesticides sont largement utilisés dans l'agriculture du monde entier pour prévenir la perte de récoltes. Cependant, ils doivent être manipulés avec précaution, car même de petits déversements dans le sol, les eaux souterraines ou l'eau de mer peuvent être nocifs pour la santé humaine, animale et environnementale.

La surveillance régulière de l'environnement est essentielle pour minimiser la pollution de l'eau, permettant une action rapide lorsque la présence de pesticides est détectée dans des échantillons d'eau. Actuellement, les tests de pesticides sont le plus souvent effectués dans des environnements de laboratoire en utilisant des techniques telles que la chromatographie et la spectrométrie de masse.

Bien que ces tests fournissent des résultats fiables et précis, ils sont longs et coûteux à réaliser. Une alternative prometteuse est un outil d'analyse chimique appelé diffusion Raman améliorée en surface, ou SERS.

Lorsque la lumière frappe des molécules, elle se diffuse d'une manière qui a des fréquences nettement différentes selon la structure moléculaire de la molécule. Le SERS permet aux scientifiques de détecter et d'identifier des quantités résiduelles de molécules dans des échantillons de test adsorbés sur une surface métallique en analysant l'"empreinte digitale" unique de la façon dont les molécules diffusent la lumière.

L'effet peut être renforcé en améliorant la surface métallique pour lui permettre d'adsorber les molécules, augmentant ainsi la capacité des capteurs à détecter de faibles concentrations de molécules dans les échantillons.

L'équipe de recherche a entrepris de développer une nouvelle méthode de test plus portable qui pourrait utiliser des matériaux abordables imprimés en 3D pour adsorber les molécules des échantillons d'eau et fournir des résultats initiaux précis sur le terrain.

Pour ce faire, ils ont exploré plusieurs types d'architectures cellulaires différentes réalisées à partir de mélanges de polypropylène et de nanotubes de carbone multiparois. Les architectures ont été produites à l'aide de la fabrication de filaments fondus, un type courant d'impression 3D.

La surface des architectures cellulaires a été recouverte de nanoparticules d'argent et d'or en utilisant une approche chimique humide commune pour permettre le processus de diffusion Raman amélioré en surface.

Ils ont testé la capacité de plusieurs conceptions architecturées différentes des matériaux cellulaires imprimés en 3D à absorber et à adsorber les molécules d'un colorant organique appelé bleu de méthylène, avant qu'elles ne soient analysées par un spectromètre Raman portable.

Le matériau le plus performant de ces tests initiaux - une conception en treillis (architecture cellulaire périodique) combinée à des nanoparticules d'argent - a ensuite été ajouté aux bandelettes de test. Des échantillons d'eau de mer et d'eau douce additionnés de faibles quantités de vrais pesticides appelés thirame et paraquat ont été déposés sur les bandelettes de test pour une analyse SERS.

L'eau a été puisée dans un estuaire à Aveiro, au Portugal, et dans des robinets situés dans la même région, des endroits qui sont régulièrement soumis à des tests de surveillance de la pollution de l'eau en conditions réelles.

Les chercheurs ont découvert que les bandelettes de test étaient capables de détecter les molécules des deux pesticides à des concentrations aussi faibles que 1 micromolaire, ce qui équivaut à une molécule de pesticide pour un million de molécules d'eau.

Le professeur Shanmugam Kumar, de la James Watt School of Engineering de l'Université de Glasgow, est l'un des auteurs correspondants de l'article. Le travail s'appuie sur ses recherches sur l'utilisation de techniques d'impression 3D pour créer des treillis architecturés par nano-ingénierie aux propriétés uniques.

Il a déclaré: "SERS est une technique de diagnostic précieuse avec des applications dans un large éventail de domaines différents. Le matériau de substrat de capteur que nous avons développé bénéficie d'une combinaison optimale de la grande surface du réseau architecturé à base de nanocarbone et des remarquables propriétés optiques de les nanoparticules métalliques.

"L'interaction du fort champ électromagnétique local dans les nanoparticules métalliques et les mécanismes chimiques du matériau carboné crée une surface hautement active pour l'analyse SERS.

"Les résultats de cette première étude sont très encourageants, montrant que ces matériaux peu coûteux peuvent être utilisés pour produire des capteurs pour la détection SERS de pesticides même à de très faibles concentrations."

Le Dr Sara Fateixa, de l'Institut des matériaux CICECO Aveiro de l'Université d'Aveiro, est co-auteur de l'article et a conçu les nanoparticules plasmoniques qui permettent la technique SERS. Elle a déclaré: "Bien que cet article examine le potentiel du système pour détecter des types spécifiques de polluants de l'eau, la technique pourrait facilement être adaptée pour surveiller la présence d'un large éventail de produits chimiques dans les échantillons.

"En agriculture, par exemple, le lait des bovins, qui se remettent d'une maladie, qui a été traité avec des antibiotiques ne peut être vendu qu'après que le médicament a quitté leur système. Actuellement, les tests qui prouvent que leur lait est prêt à partir sur le marché sont chers, mais nos matériaux de diagnostic pourraient être adaptés pour fournir des résultats fiables à un prix bien plus abordable.

"Nous sommes impatients de continuer à développer ce matériau de capteur très prometteur pour une utilisation dans les applications SERS."

Plus d'information: Sara Fateixa et al, Réseaux nanocomposites architecturés activés par la fabrication additive recouverts de nanoparticules plasmoniques pour la détection des polluants de l'eau, les matériaux macromoléculaires et l'ingénierie (2023). DOI : 10.1002/mame.202300060

Fourni par l'Université de Glasgow