由于人類活動(例如使用農(nóng)藥)以及最近對電子廢物的處理不足，鉛，砷和其他重金屬在世界各地的水系統(tǒng)中越來越多地出現(xiàn)。長期暴露于甚至十億分之幾的痕量水平的這些污染物，可能導致孕婦，兒童和其他脆弱人群的健康狀況惡化。

監(jiān)測水的重金屬是一項艱巨的任務，但是，特別是那里的工人必須收集的水多少升，并將它們運送到遙遠的實驗室進行分析之前保留化學樣品資源受限的地區(qū)。

為了簡化監(jiān)測過程，麻省理工學院的研究人員開發(fā)了一種稱為SEPSTAT的方法，用于固相萃取，保存，存儲，運輸和分析痕量污染物。該方法基于團隊開發(fā)的小型，用戶友好的設備，該設備吸收水中的痕量污染物并將其保持在干燥狀態(tài)，因此樣品可以輕松地丟入郵件中并運送到實驗室進行進一步分析。

該設備類似于小型柔性螺旋槳或攪拌器，可安裝在典型的采樣瓶中。當在瓶子內(nèi)旋轉(zhuǎn)幾分鐘時，儀器可以吸收水樣中的大多數(shù)痕量污染物。用戶可以風干設備或用紙將其弄臟，然后將其弄平并將其郵寄到信封中，送至實驗室，科學家可以將其浸入酸溶液中以去除污染物并將其收集起來以作進一步處理在實驗室中進行分析。

麻省理工學院機械工程系的研究生，設備設計師艾米麗·漢豪瑟(Emily Hanhauser)說：“我們最初設計的是在印度使用的，但是它使我了解到了我們自己的水問題和在美國的痕量污染物。” “例如，某個聽說過密歇根州弗林特市水危機的人現(xiàn)在想知道水中有什么，可能有一天可能會在網(wǎng)上訂購類似的東西，自己進行測試，然后將其發(fā)送到實驗室。”

Hanhauser和她的同事們最近在《環(huán)境科學與技術(shù)》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。她的麻省理工學院合著者是塔塔技術(shù)與設計中心和麻省理工學院斯隆管理學院的Chintan Vaishnav;機械工程副教授約翰·哈特(John Hart);機械工程學教授兼教育學系副主任Rohit Karnik以及波士頓大學的Michael Bono。

一個攪拌器樣的設備，內(nèi)襯小口袋，里面裝有金色的聚合物小珠，可以裝在典型的采樣瓶中，并且可以旋轉(zhuǎn)以拾取水中的任何金屬污染物。圖片來源：麻省理工學院

從茶包到打蛋器

該團隊最初著手了解印度的水監(jiān)測基礎設施。全國各地地方實驗室的工人收集了數(shù)百萬個水樣，這些水樣具備進行基本水質(zhì)分析的能力。但是，要分析痕量污染物，這些本地實驗室的工人需要化學保存大量的水樣，并將通常長達數(shù)百公里的船只運輸?shù)街莞锥?，中央實驗室擁有可以正確分析痕量污染物的設施。

漢豪斯說：“如果您要收集大量這些樣品并試圖將它們帶到實驗室，那將是繁重的工作，并且存在很大的運輸障礙。”

為了簡化水監(jiān)控的后勤工作，她和她的同事們想知道他們是否可以繞過運輸水的需求，而是以干燥狀態(tài)自己運輸污染物。

他們最終從干血點中發(fā)現(xiàn)了靈感，這是一種簡單的技術(shù)，涉及刺破人的手指并在纖維素卡上收集一滴血。干燥后，血液中的化學物質(zhì)穩(wěn)定并可以保存，可以將卡片寄出進行進一步分析，從而避免了保存和運送大量血液的需要。

該團隊開始考慮類似的重金屬收集系統(tǒng)，并仔細研究了文獻中既可以吸收水中痕量污染物并在干燥時保持穩(wěn)定的材料。

他們最終定居在離子交換樹脂上，這是一類以數(shù)百微米寬的小聚合物珠粒形式出現(xiàn)的材料。這些珠含有與氫離子結(jié)合的分子組。當浸入水中時，氫會脫落，并可以與另一個離子(例如重金屬陽離子)交換，該離子會在珠子上取代氫。這樣，珠?？梢詮乃形罩亟饘俸推渌哿课廴疚?。

將設備拉出并干燥后，可以長時間保存拾起的所有金屬污染物。該設備可以展平并郵寄到實驗室，在那里可以進一步分析污染物。圖片來源：麻省理工學院

然后，研究人員尋找將珠子浸入水中的方法，并首先考慮了類似茶袋的設計。他們用珠子填滿了一個網(wǎng)狀的口袋，然后將其浸入水中，摻入重金屬。但是，他們發(fā)現(xiàn)，如果將珠子簡單地放在茶袋中，珠子要花幾天的時間才能充分吸收污染物。當他們在周圍攪拌茶袋時，湍流在某種程度上加速了該過程，但是對于裝在一個大茶袋中的珠子來說，吸收污染物仍然花費了太長時間。

最終，Hanhauser發(fā)現(xiàn)手持式攪拌設計最適合在合理的時間內(nèi)吸收水中的金屬污染物。該設備是由聚合物網(wǎng)制成的，該聚合物網(wǎng)被切成幾個螺旋槳狀的面板。在每個面板中，Hanhauser手工縫制了一些小口袋，上面裝有聚合物珠子。然后，她將每個面板縫在聚合物棒上，類似于打蛋器或打蛋器。

測試水域

研究人員制造了幾種設備，然后在包括查爾斯河和神秘河在內(nèi)的波士頓周圍收集的天然水樣本上進行了測試。他們在樣品中摻入了各種重金屬污染物，例如鉛，銅，鎳和鎘，然后將設備插入每個樣品的瓶中，然后用手旋轉(zhuǎn)來捕獲和吸收污染物。然后，他們將設備放在柜臺上晾干過夜。

為了從設備中回收污染物，他們將設備浸入鹽酸中。溶液中的氫有效地敲除附著在聚合物珠粒上的所有離子，包括重金屬，然后可以收集這些離子并使用諸如質(zhì)譜儀之類的儀器進行分析。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在水樣品中攪拌該設備，該設備能夠吸收和保留每個樣品中約94%的金屬污染物。在最近的試驗中，他們發(fā)現(xiàn)即使將設備在干燥狀態(tài)下存儲長達兩年，他們?nèi)匀豢梢詸z測到污染物并預測原始水樣中的污染物，其準確度范圍為10%到20%。

研究人員認為，該設備的價格不到2美元，可以促進將樣品運送到集中實驗室，收集和保存樣品以供將來分析，以及以集中方式獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)，從而有助于確定污染源，指導政策并改善水質(zhì)管理。