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Jun 01, 2023

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Andrew Corselli Schwermetalle – z. B. Blei und Cadmium – kommen in Batterien, Lebensmitteln und anderen Alltagsgegenständen vor, können jedoch in großer Menge beim Menschen zu ernsthaften Gesundheitsproblemen führen. Jedoch,

Andrew Corselli

Schwermetalle – z. B. Blei und Cadmium – kommen in Batterien, Lebensmitteln und anderen Alltagsgegenständen vor, können jedoch in großen Mengen beim Menschen zu ernsthaften Gesundheitsproblemen führen. Ihr Nachweis in Körperflüssigkeiten erfordert jedoch teure Ausrüstung und eine geeignete Umgebung. Jetzt hat ein Team an der Universität von São Paulo (USP) in Brasilien einen leicht zu entnehmenden tragbaren Sensor aus einfachen Materialien entwickelt, um Schwermetalle in Körperflüssigkeiten zu erkennen.

Die Forschung, an der auch Teams der Institute für Physik (IFSC) und Chemie (IQSC) von São Carlos, der Universität München in Deutschland und der Technischen Universität Chalmers in Schweden beteiligt waren, wurde in Chemosensors veröffentlicht.

„Wir erhalten wichtige Informationen über die Gesundheit einer Person, indem wir ihre Belastung durch Schwermetalle messen“, sagte Paulo Augusto Raymundo Pereira, letzter Autor des Artikels und Forscher am IFSC-USP. „Hohe Cadmiumwerte können zu tödlichen Problemen in den Atemwegen, der Leber und den Nieren führen. Eine Bleivergiftung schädigt das Zentralnervensystem und führt zu Reizbarkeit, kognitiven Beeinträchtigungen, Müdigkeit, Unfruchtbarkeit, Bluthochdruck bei Erwachsenen und verzögertem Wachstum und Entwicklung bei Kindern.

„Die Welt braucht flexible Sensoren, die wie unser Gerät einfach, kostengünstig und schnell in Massenproduktion hergestellt werden können, um gefährliche Verbindungen vor Ort zu erkennen, kontinuierlich zu überwachen und dezentral zu analysieren.“

Die Basis des Geräts besteht aus Polyethylenterephthalat (PET), auf der sich ein leitfähiges, flexibles Kupferklebeband mit dem darauf aufgedruckten Sensor und eine Schutzschicht aus Nagellack oder Spray befindet, sagte Co-Autor Robson R. da Silva von der Chalmers University . Er fügte hinzu, dass das freigelegte Kupfer durch 20-minütiges Eintauchen in eine Eisenchloridlösung und anschließendes Waschen in destilliertem Wasser entfernt wird. „All dies gewährleistet Geschwindigkeit, Skalierbarkeit, geringen Stromverbrauch und niedrige Kosten“, sagte er.

Das Gerät ist mit einem Potentiostat verbunden, der die Konzentration jedes Metalls bestimmt, indem er Potential- und Stromunterschiede zwischen Elektroden misst. Das Ergebnis wird dann über eine Anwendungssoftware auf einem Bildschirm angezeigt.

„Artesische Brunnen beispielsweise sind reguliert und erfordern eine ständige Überwachung zur Analyse der Wasserqualität. Unser Sensor kann in solchen Fällen äußerst nützlich sein“, sagte Erstautor Anderson M. de Campos von der Universität München.

„Bis zur Fertigstellung der Erfindung fanden wir keine Berichte darüber, dass flexible Kupfersensoren zur Erkennung giftiger Metalle im Schweiß verwendet wurden, aber eine Anteriority-Suche würde wahrscheinlich etwas Ähnliches zutage bringen und möglicherweise eine Patentanmeldung blockieren“, sagte Co-Autor Marcelo L. Calegaro , IQSC-USP.

Daher arbeitet das Team an Verfeinerungen und zusätzlichen Anwendungen. Eine mögliche Lösung besteht darin, die abfallerzeugende Korrosionsstufe durch Schneiden in einer Papiermaschine zu ersetzen. Eine andere besteht darin, denselben Gerätetyp zum Nachweis von Pestiziden in Wasser und Lebensmitteln zu verwenden.

Hier ist ein Tech Briefs-Interview mit Pereira, das aus Gründen der Klarheit und Länge bearbeitet wurde.

Technische Informationen:Was hat Ihre Forschung inspiriert?

Pereira : Entwicklung einfacher und kostengünstiger Sensoren, die relevante Biomarker in nicht-invasiven Proben wie Speichel, Schweiß und Urin überwachen können, um die Lebensqualität des Menschen zu verbessern. Mein Traum ist es, dass unsere entwickelten Sensoren den Menschen zur Verfügung stehen und ihre Lebensqualität verbessern.

Technische Informationen:Was waren für Sie die größten technischen Herausforderungen?

Pereira: Die größte technische Herausforderung bestand darin, Wismut-Nanodendriten zu erhalten, mit denen wir einen detaillierten Optimierungsschritt durchführten, gefolgt von einer mikroskopischen Analyse mittels Rasterelektronenmikroskopie.

Technische Informationen:Können Sie in einfachen Worten erklären, wie die Technologie funktioniert?

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Mikronadeln extrahieren Flüssigkeit für tragbare Sensoren

Pereira : Wir können die Antwort in zwei Schritte unterteilen: 1) Herstellungsverfahren der Sensoren, bei dem leitfähiges Kupferklebeband in kleine Stücke geschnitten und auf flexibles PET-Substrat geklebt wurde. Kupferoberflächen wurden mit Papiertüchern und Aceton gereinigt. Eine Vorlage mit dem Design elektrochemischer Geräte wurde mit einer Silhouette Cameo Modell 3-Schneidemaschine auf einem Klebeetikettenbogen ausgeschnitten und auf das Kupferklebeband geklebt. Die gesamte Oberfläche wurde mithilfe von Nagellack mit einer Polymerschicht überzogen, wodurch das Design der in der Schablone enthaltenen Geräte nach dem Entfernen der Maske auf die Kupferklebefläche übertragen wurde. Das freigelegte Kupfer wurde durch einen Korrosionsschritt entfernt, indem die Geräte 20 Minuten lang in eine kostengünstige konzentrierte Eisenchloridlösung getaucht wurden, gefolgt von einem Waschschritt mit Wasser. Die Polymerschicht wurde mit acetongetränkten Papiertüchern entfernt und schon waren die flexiblen Kupfersensoren einsatzbereit.

2) Das Gerät wird über Bluetooth mit dem Lesegerät, nämlich einem tragbaren Potentiostat und Smartphone oder Tablet oder Laptop, verbunden. Die Schweißprobe wird auf die Sensoroberfläche getropft und die Analyse durchgeführt. Die Ergebnisse können in fünf Minuten vorliegen.

Technische Informationen:Was ist der nächste Schritt in Bezug auf Ihre Forschung/Tests?

Pereira : Der nächste Schritt unserer Forschung wird darin bestehen, das Kupferband mit der Schneidemaschine Silhouette Cameo Modell 3 zu schneiden, um den Ätzschritt zu vermeiden. Wir werden die Anwendungen erweitern, um Pestizide in Wasser und Lebensmitteln nachzuweisen.