Om rent vann, dansing og sensorer

Bildet: Elizaveta Vereshchagina (t.v.) og Karolina Milenko viser fram en av de mikrofluidiske SERS-sensorene som er produsert ved MiNaLab. Foto: William Husby Hoven / SINTEF

FAGARTIKKEL: - Nå utvikles det nye optiske sensorer for overvåkning av plantevernmidler i vann. Disse sensorene er kombinert med mikrofluidikk for enklere håndtering av vannprøver så små som 1 mikroliter, ved deteksjon av pesticider.

Publisert: 31 Jan 2024

Av Elizaveta Vereshchagina,
seniorforsker, SINTEF Digital

(Medforfatter: Karolina Milenko, forsker, SINTEF Digital)

Rent vann er avgjørende for trivsel på planeten vår, men overbruk av skadelige stoffer som plantevernmidler forårsaker stadig økende forurensning. Plantevernmidler kan forekomme gjennom jordbrukspraksis og avfallsanlegg. Som et resultat kan drikkevannet og maten vi kjøper og høster være mindre trygge enn antatt, med påfølgende langvarige helseeffekter som kreft og endokrine forstyrrelser. Utvikling av nye overvåkingsteknologier er avgjørende for å håndtere denne situasjonen. Derfor jobber SINTEF MiNaLab aktivt med å utvikle effektive teknologier for overvåking av plantevernmidler i feltet.

I POLSENS prosjektet har SINTEF MiNaLab samarbeidet med akademiske og industrielle partnere fra Romania for å utvikle miniatyriserte mikrofluidiske optiske sensorer. Disse sensorene muliggjør rask og pålitelig deteksjon av lave konsentrasjoner av pesticider i overflatevann. De bruker Raman-spektroskopi, der lys vekselvirker med molekyler ved å ta fra eller tilføre energi til molekylbevegelser. Med enklere ord, det er som å spille musikk som får molekylene til å «danse». Den spredte lyset bærer deretter informasjon om disse vibrasjonene, avslører detaljer om den molekylære strukturen og sammensetningen av materialet som blir studert. I hovedsak gir Raman metode muligheten til å «se» og analysere molekylers subtile «dans» ved å observere endringer i fargen på spredt lys.

Selv om Raman-spektroskopi er en nyttig og lovende teknikk, gjennomgår kun en liten andel av lyset Raman-spredningsprosessen. Derfor kreves det en metode for å forsterke signalet og oppnå best mulig sensorytelse. Signalforsterkningen oppnås gjennom metalliske nanostrukturer som skaper en «hotspot»-effekt, der det elektromagnetiske feltet konsentreres rundt molekylene i en prosess kjent som Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). For å fortsette med dansemetaforen, fungerer SERS som et spesielt dansegulv som fremmer den mest effektive interaksjonen mellom det innkommende lyset (musikken) og molekylene (danserne) å gjøre dansebevegelser mer synlige. Teoretisk sett er SERS i stand til å oppdage selv et enkeltmolekyl, og dermed muliggjør identifisering av de minste spor av skadelige stoffer! Imidlertid er implementeringen av SERS forbundet med flere utfordringer, og det er her SINTEF, sammen med POLSENS-konsortiet, også har til hensikt å utgjøre en forskjell.

Forskere ved SINTEF MiNaLab har investert flere år i å forbedre fabrikasjonsprosessen og sensitiviteten til nanopreget SERS-substrater. En av teknologiene som brukes til å produsere disse substratene er UV-nanoimprint-litografi (UV-NIL), som gjør det mulig å lage nanostrukturer som gir Raman-forsterkning innenfor bølgelengder som er relevante for miljø- og matanalyse. Denne teknikken er til forveksling lik vaffel-steking! Man tar bittesmå mønstre og trykker dem inn i et polymermateriale som senere kan belegges av gull eller etses inn i silisium. På denne måten oppnår man høy presisjon til lav produksjonskostnad. Potensialet for denne høye presisjonen på nanoskala og lavkostnadsteknologien for SERS-anvendelser har nylig blitt beskrevet. Det ble også utforsket andre metoder for å oppnå høy-sensitive SERS substrater innenfor POLSENS-prosjektet sammen med partnerne. Detaljer om disse arbeidene kan finnes her og her.

Bildet: Elizaveta Vereshchagina og Karolina Milenko i mikrooptikk-laboratoriet ved SINTEF der målingene ble utført. Foto: William Husby Hoven / SINTEF

Alle fabrikasjonsmetoder har sine fordeler og ulemper. Elektrokjemisk ruhet på tykke metallfilmer har prestert godt ned til konsentrasjoner på 10-5 M, som er et relevant område for matanalyse, men disse sensorene kan ikke enkelt integreres med andre MEMS-komponenter og mikrofluidikk. SERS-substrater som er fremstilt ved kolloid-litografi, viser lignende eller til og med høyere sensitivitet, men krever tidkrevende manuell forberedelse og lider av manglende reproduserbarhet i ytelse. Basert på erfaringen innenfor dette prosjektet er substratene fremstilt ved UV-NIL både svært sensitive (demonstrert ned til 10-7 M), som vist med eksempelet på et relevant pesticid, og egnet for integrasjon med MEMS og masseproduksjon. SERS-substrater kan også kombineres med tynnfilm-elektroder, en analytisk teknikk kalt EC-SERS, som åpner for bruk av elektrokjemisk deteksjon eller elektrokjemisk kondisjonering av sensorer. Innenfor POLSENS hadde vi muligheten til å samarbeide med forskere som er svært erfarne innen utvikling av elektrokjemibaserte analytiske teknikker.

En utfordring mange typer sensorer står overfor er koblet til påføringen av prøver over det aktive sensorområdet. Vanligvis påføres flytende prøver av ulike volumer manuelt, noe som fører til betydelige menneskelige feil, variasjoner på grunn av fordampning av prøven, og inkompatibilitet med deteksjon i sanntid som er nødvendig for bruk av disse sensorene i feltet. For å håndtere dette problemet integrerer POLSENS-prosjektet disse optiske sensorene med mikrofluidiske kanaler og kamre. Mikrofluidikkens fordeler ligger i muligheten til å teste raskere og med mer presis kontroll, alt dette krever små prøvevolumer, som også betyr redusert avfall. Mikrofluidisk integrasjon ikke bare tillater for en mer brukervennlig og automatisert enhet, men kan forbedre i noen tilfeller og for noen target molekyler til og med deteksjonsgrensen, som nylig har blitt presentert. Mikrofluidisk integrasjon krever imidlertid en bindeteknologi som ikke kompromitterer fabrikasjonen av verken de fluidiske eller SERS-komponentene. På MiNaLab forbedrer vi kontinuerlig våre teknologiske prosesser for å produsere sensorer egnet for sensitiv miljøovervåking.

Bildet: Eksempel på en mikrofluidisk EC-SERS-sensor produsert i silisium- og glassmaterialer ved SINTEF MiNaLab. Foto: Yuksel Temiz, Microqubic AG; skannelektronmikroskopibilde av SERS-nanomønstrene produsert ved hjelp av UV-NIL-teknologi: Karolina Milenko / SINTEF

For å oppsummere har vi innenfor POLSENS nådd milepælen med å demonstrere et konsept av mikrofluidikk sensor for påvisning av pesticider. Et viktig bidrag til å sikre trygg mat for oss og våre barn! MiNaLab fortsetter arbeidet med å forbedre disse sensorene innenfor Water4All STARDUST-prosjektet koordinert av SINTEF, som starter våren 2024.