Insinyur MIT Menciptakan Perangkat Deteksi Timbal yang Mengubah Permainan

Kesan seniman pada permukaan chip, menunjukkan interferometer cahaya pada chip yang digunakan untuk merasakan keberadaan timbal. Proses pengikatan timbal ke eter mahkota ditunjukkan pada sisipan. Kredit: Jia Xu Brian Sia

Perangkat berskala chip baru dapat memberikan deteksi sensitif terhadap kadar timbal dalam air minum, yang toksisitasnya mempengaruhi 240 juta orang di seluruh dunia.

Insinyur di MIT dan kolaborator telah mengembangkan teknologi yang ringkas dan murah untuk mendeteksi dan mengukur timbal dalam air. Sistem baru ini menggunakan chip fotonik dan eter mahkota untuk menangkap ion timbal, sehingga memberikan hasil yang akurat dan hampir instan hanya dengan setetes air.

Para insinyur di MIT, Nanyang Technological College, dan beberapa perusahaan telah mengembangkan teknologi yang ringkas dan murah untuk mendeteksi dan mengukur konsentrasi timbal dalam air, yang berpotensi memungkinkan kemajuan signifikan dalam mengatasi masalah kesehatan international yang terus-menerus ini.

Organisasi Kesehatan Dunia memperkirakan bahwa 240 juta orang di seluruh dunia terpapar air minum yang mengandung timbal beracun dalam jumlah yang tidak aman, yang dapat mempengaruhi perkembangan otak pada anak-anak, menyebabkan cacat lahir, dan menghasilkan berbagai efek merusak neurologis, jantung, dan lainnya. Di Amerika Serikat saja, diperkirakan 10 juta rumah tangga masih mendapatkan air minum melalui pipa timah.

Menguji pengaturan sensor chip fotonik, termasuk ruang mikrofluida untuk mengangkut larutan analit dan serat optik di bagian samping untuk mengukur respons fotonik chip. Kredit: Atas perkenan para peneliti

“Ini adalah krisis kesehatan masyarakat yang belum terselesaikan dan menyebabkan lebih dari 1 juta kematian setiap tahunnya,” kata Jia Xu Brian Sia, seorang postdoc MIT dan penulis senior makalah yang menjelaskan teknologi baru ini.

Namun, pengujian timbal dalam air memerlukan peralatan yang mahal dan rumit serta biasanya memerlukan waktu berhari-hari untuk mendapatkan hasilnya. Atau, menggunakan strip tes sederhana yang hanya memberikan jawaban ya atau tidak tentang keberadaan timbal tetapi tidak ada informasi tentang konsentrasinya. Peraturan EPA saat ini mengharuskan air minum mengandung tidak lebih dari 15 bagian per miliar timbal, konsentrasi yang sangat rendah sehingga sulit dideteksi.

Teknologi Chip Fotonik yang Inovatif

Sistem baru ini, yang akan siap digunakan secara komersial dalam waktu dua atau tiga tahun, dapat mendeteksi konsentrasi timbal serendah 1 bagian per miliar, dengan konsentrasi timbal yang tinggi. ketepatan, menggunakan detektor berbasis chip sederhana yang ditempatkan di perangkat genggam. Teknologi ini memberikan pengukuran kuantitatif hampir seketika dan hanya membutuhkan setetes air.

Temuan ini dijelaskan dalam makalah yang diterbitkan pada 14 Mei di jurnal Komunikasi Alamoleh Sia, mahasiswa pascasarjana MIT dan penulis utama Luigi Ranno, Profesor Juejun Hu, dan 12 orang lainnya di MIT dan institusi lain di bidang akademis dan industri.

Jia Xu Brian Sia (kiri) dan Luigi Ranno (kanan) menampilkan chip sensor dan ruang mikrofluida yang dikemas lengkap. Kredit: Atas perkenan para peneliti

Tim tersebut berupaya menemukan metode deteksi sederhana berdasarkan penggunaan chip fotonik, yang menggunakan cahaya untuk melakukan pengukuran. Bagian yang menantang adalah menemukan cara untuk menempelkan molekul berbentuk cincin tertentu ke permukaan chip fotonik yang dikenal sebagai eter mahkota, yang dapat menangkap ion tertentu seperti timbal. Setelah bertahun-tahun berusaha, mereka mampu mencapai keterikatan tersebut melalui proses kimia yang dikenal sebagai esterifikasi Fischer. “Itu adalah salah satu terobosan penting yang kami buat dalam teknologi ini,” kata Sia.

Dalam pengujian chip baru tersebut, para peneliti menunjukkan bahwa chip tersebut dapat mendeteksi timbal dalam air pada konsentrasi serendah satu bagian per miliar. Pada konsentrasi yang jauh lebih tinggi, yang mungkin relevan untuk menguji pencemaran lingkungan seperti tailing tambang, akurasinya berada pada kisaran 4 persen.

Keserbagunaan dan Aplikasi Praktis

Perangkat ini bekerja di air dengan tingkat keasaman yang bervariasi, mulai dari nilai pH 6 hingga 8, “yang mencakup sebagian besar sampel lingkungan,” kata Sia. Mereka telah menguji perangkat tersebut dengan air laut serta air keran, dan memverifikasi keakuratan pengukurannya.

Untuk mencapai tingkat akurasi seperti itu, pengujian saat ini memerlukan perangkat yang disebut berpasangan induktif plasma spektrometer massa. “Penyiapan ini bisa jadi besar dan mahal,” kata Sia. Pemrosesan sampel dapat memakan waktu berhari-hari dan memerlukan tenaga teknis yang berpengalaman.

Meskipun sistem chip baru yang mereka kembangkan adalah “bagian inti dari inovasi,” kata Ranno, diperlukan upaya lebih lanjut untuk mengembangkannya menjadi perangkat genggam yang terintegrasi untuk penggunaan praktis. “Untuk membuat produk sebenarnya, Anda perlu mengemasnya ke dalam bentuk yang dapat digunakan,” jelasnya. Ini akan melibatkan laser berbasis chip kecil yang digabungkan dengan chip fotonik. “Ini masalah desain mekanis, beberapa desain optik, beberapa bahan kimia, dan mencari tahu rantai pasokan,” katanya. Meskipun hal ini membutuhkan waktu, katanya, konsep dasarnya sangatlah jelas.

Sistem ini dapat diadaptasi untuk mendeteksi kontaminan serupa lainnya di dalam air, termasuk kadmium, tembaga, litium, barium, cesium, dan radium, kata Ranno. Perangkat ini dapat digunakan dengan kartrid sederhana yang dapat ditukar untuk mendeteksi elemen berbeda, masing-masing menggunakan eter mahkota yang sedikit berbeda yang dapat mengikat ion tertentu.

Dampak terhadap Kesehatan World

“Masalahnya adalah masyarakat tidak mengukur jumlah airnya dengan cukup, terutama di negara-negara berkembang,” kata Ranno. “Dan itu karena mereka perlu mengumpulkan air, menyiapkan sampelnya, dan membawanya ke instrumen besar yang harganya sangat mahal.” Sebaliknya, “memiliki perangkat genggam ini, sesuatu yang ringkas yang bahkan dapat dibawa oleh personel yang tidak terlatih ke sumbernya untuk pemantauan di lokasi, dengan biaya rendah,” dapat membuat pengujian yang meluas dan teratur dapat dilakukan.

Hu, yang merupakan Profesor Sains dan Teknik Materials John F. Elliott, berkata, “Saya berharap hal ini dapat segera diterapkan, sehingga kita dapat memberikan manfaat bagi masyarakat. Ini adalah contoh yang baik dari teknologi yang berasal dari inovasi laboratorium yang dapat memberikan dampak nyata bagi masyarakat, dan tentu saja sangat memuaskan.”

“Jika penelitian ini dapat diperluas untuk mendeteksi beberapa unsur logam secara bersamaan, terutama unsur radioaktif yang ada saat ini, potensinya akan sangat besar,” kata Hou Wang, seorang profesor ilmu dan teknik lingkungan di Universitas Hunan di Tiongkok, yang tidak terkait dengan pekerjaan ini.

Wang menambahkan, “Penelitian ini telah merancang sebuah sensor yang mampu mendeteksi konsentrasi timbal dalam air secara instan. Hal ini dapat dimanfaatkan secara real-time untuk memantau konsentrasi polusi timbal dalam air limbah yang dibuang dari industri seperti manufaktur baterai dan peleburan timbal, sehingga memfasilitasi pembentukan sistem pemantauan air limbah industri. Saya rasa aspek inovatif dan potensi pengembangan penelitian ini cukup terpuji.”

Wang Qian, seorang ilmuwan peneliti utama di Institute of Supplies Analysis di Singapura, yang juga tidak berafiliasi dengan penelitian ini, mengatakan, “Kemampuan untuk mendeteksi timbal secara pervasif, portabel, dan kuantitatif telah terbukti menjadi tantangan terutama karena biaya. kekhawatiran. Pekerjaan ini menunjukkan potensi untuk melakukan hal tersebut dalam faktor bentuk yang sangat terintegrasi dan kompatibel dengan manufaktur berskala besar dan berbiaya rendah.”

Referensi: “Fotonik silikon berhias eter mahkota untuk melindungi dari keracunan timbal” oleh Luigi Ranno, Yong Zen Tan, Chi Siang Ong, Xin Guo, Khong Nee Koo, Xiang Li, Wanjun Wang, Samuel Serna, Chongyang Liu, Rusli, Callum G. Littlejohns, Graham T. Reed, Juejun Hu, Hong Wang dan Jia Xu Brian Sia, 14 Mei 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-47938-6

Tim tersebut terdiri dari para peneliti di MIT, di Nanyang Technological College dan Temasek Laboratories di Singapura, di College of Southampton di Inggris, dan di perusahaan Fingate Applied sciences, di Singapura, dan Vulcan Photonics, yang berkantor pusat di Malaysia. Pekerjaan ini menggunakan fasilitas di MIT.nano, Pusat Sistem Skala Nano Universitas Harvard, Pusat Mikro dan Nano-Elektronik NTU, dan Pusat Fabrikasi Nano Nanyang.