Ingenieros del MIT, la Universidad Tecnológica de Nanytang y varias empresas han desarrollado una tecnología compacta y económica para detectar y medir concentraciones de plomo en el agua, lo que podría permitir un avance significativo en la lucha contra este persistente problema de salud global.
La Organización Mundial de la Salud estima que 240 millones de personas en todo el mundo están expuestas a agua potable que contiene cantidades peligrosas de plomo tóxico, que puede afectar el desarrollo del cerebro en los niños, causar defectos de nacimiento y producir una variedad de efectos neurológicos, cardíacos y otros efectos dañinos. Sólo en Estados Unidos, se estima que 10 millones de hogares todavía reciben agua potable a través de tuberías de plomo.
"Es una crisis de salud pública no abordada que provoca más de 1 millón de muertes al año", afirma Jia Xu Brian Sia, postdoctorado del MIT y autor principal del artículo que describe la nueva tecnología.
Pero las pruebas de plomo en el agua requieren equipos costosos y engorrosos y, por lo general, requieren días para obtener resultados. O utiliza tiras reactivas simples que simplemente revelan una respuesta sí o no sobre la presencia de plomo, pero ninguna información sobre su concentración. Las regulaciones actuales de la EPA requieren que el agua potable no contenga más de 15 partes por mil millones de plomo, una concentración tan baja que es difícil de detectar.
El nuevo sistema, que podría estar listo para su implementación comercial dentro de dos o tres años, podría detectar concentraciones de plomo tan bajas como 1 parte por mil millones, con alta precisión, utilizando un detector simple basado en un chip alojado en un dispositivo portátil. La tecnología proporciona mediciones cuantitativas casi instantáneas y requiere solo una gota de agua.
Los hallazgos se describen en un artículo que aparece hoy en la revista Nature Communications. , por Sia, estudiante de posgrado del MIT y autor principal Luigi Ranno, el profesor Juejun Hu y otras 12 personas del MIT y otras instituciones académicas e industriales.
El equipo se propuso encontrar un método de detección sencillo basado en el uso de chips fotónicos, que utilizan luz para realizar mediciones. La parte desafiante fue encontrar una manera de unir a la superficie del chip fotónico ciertas moléculas en forma de anillo conocidas como éteres de corona, que pueden capturar iones específicos como el plomo.
Después de años de esfuerzo, pudieron lograr esa unión mediante un proceso químico conocido como esterificación de Fischer. "Ese es uno de los avances esenciales que hemos logrado en esta tecnología", afirma Sia.
Al probar el nuevo chip, los investigadores demostraron que puede detectar plomo en el agua en concentraciones tan bajas como una parte por mil millones. En concentraciones mucho más altas, que pueden ser relevantes para probar la contaminación ambiental, como los relaves de minas, la precisión está dentro del 4 por ciento.
El dispositivo funciona en agua con distintos niveles de acidez, que van desde valores de pH de 6 a 8, "lo que cubre la mayoría de las muestras ambientales", dice Sia. Han probado el dispositivo con agua de mar y agua del grifo y han verificado la precisión de las mediciones.
Para lograr tales niveles de precisión, las pruebas actuales requieren un dispositivo llamado espectrómetro de masas de plasma acoplado inductivamente. "Estas configuraciones pueden ser grandes y costosas", dice Sia. El procesamiento de la muestra puede llevar días y requiere personal técnico experimentado.
Si bien el nuevo sistema de chip que desarrollaron es "la parte central de la innovación", dice Ranno, será necesario seguir trabajando para convertirlo en un dispositivo portátil integrado para uso práctico. "Para fabricar un producto real, sería necesario empaquetarlo en un factor de forma utilizable", explica. Esto implicaría tener un pequeño láser basado en un chip acoplado al chip fotónico.
"Es una cuestión de diseño mecánico, algo de diseño óptico, algo de química y de entender la cadena de suministro", afirma. Si bien eso lleva tiempo, afirma, los conceptos subyacentes son sencillos.
El sistema se puede adaptar para detectar otros contaminantes similares en el agua, incluidos cadmio, cobre, litio, bario, cesio y radio, dice Ranno. El dispositivo podría usarse con cartuchos simples que se pueden intercambiar para detectar diferentes elementos, cada uno usando éteres de corona ligeramente diferentes que pueden unirse a un ion específico.
"Existe el problema de que la gente no mide lo suficiente su agua, especialmente en los países en desarrollo", dice Ranno. "Y eso se debe a que necesitan recolectar el agua, preparar la muestra y llevarla a estos enormes instrumentos que son extremadamente costosos".
En cambio, "tener este dispositivo portátil, algo compacto que incluso el personal no capacitado puede llevar a la fuente para monitoreo in situ, a bajo costo", podría hacer factibles las pruebas generalizadas, periódicas y continuas.
Hu, profesor John F. Elliott de Ciencia e Ingeniería de Materiales, dice:"Espero que esto se implemente rápidamente, para que podamos beneficiar a la sociedad humana. Este es un buen ejemplo de una tecnología que surge de una innovación de laboratorio donde De hecho, puede tener un impacto muy tangible en la sociedad, lo cual, por supuesto, es muy gratificante".
"Si este estudio puede ampliarse a la detección simultánea de múltiples elementos metálicos, especialmente los elementos radiactivos que actualmente preocupan, su potencial sería inmenso", afirma Hou Wang, profesor asociado de ciencias e ingeniería ambientales en la Universidad de Hunan en China, que no estaba asociado con este trabajo.
Wang añade:"Esta investigación ha diseñado un sensor capaz de detectar instantáneamente la concentración de plomo en el agua. Esto puede utilizarse en tiempo real para monitorear la concentración de contaminación por plomo en las aguas residuales vertidas por industrias como la fabricación de baterías y la fundición de plomo, lo que facilita el establecimiento de sistemas de monitoreo de aguas residuales industriales Creo que los aspectos innovadores y el potencial de desarrollo de esta investigación son bastante encomiables."
Wang Qian, investigador principal del Instituto de Investigación de Materiales de Singapur, que tampoco participó en este trabajo, dice:"La capacidad de detección generalizada, portátil y cuantitativa de plomo ha demostrado ser un desafío principalmente debido al costo Este trabajo demuestra el potencial de hacerlo en un factor de forma altamente integrado y es compatible con la fabricación a gran escala y de bajo costo".
El equipo incluía investigadores del MIT, de la Universidad Tecnológica de Nanyang y de los Laboratorios Temasek en Singapur, de la Universidad de Southampton en el Reino Unido, y de las empresas Fingate Technologies, en Singapur, y Vulcan Photonics, con sede en Malasia. El trabajo utilizó instalaciones en MIT.nano, el Centro de Sistemas a Nanoescala de la Universidad de Harvard, el Centro de Micro y Nanoelectrónica de NTU y el Centro de Nanofabricación de Nanyang.
Más información: Luigi Ranno et al, Crown ether decoró fotónica de silicio para proteger contra el envenenamiento por plomo, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47938-6
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.
