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饮用水铅超标危害人体!新型传感器可有效监测

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导读


最近,美国密歇根大学的研究人员开发出一种用于检测铅的新型电子传感器,成本约在20美元左右,可方便地安装于城市供水系统的关键点和家庭中的水龙头上,用于监测家庭和城市的水质,提醒居民和公务人员,9天内水中是否有铅出现。


关键字


传感器


背景


水是生命之泉,饮用水水质直接关系到我们每个人的健康。如果饮用水中存在过量的重金属,会严重危害人体健康。


铅,是一种重金属,有毒,会污染环境和危害人体健康。目前,饮用水中的铅主要污染源有两方面:第一,工业污染物和废水排放,以及农业生产中广泛使用的农药和杀虫剂;第二,城市自来水管道受到腐蚀造成铅的释放。


铅主要会损伤人体神经系统,尤其是对于儿童,血液、神经、脑组织最容易受到毒害,从而引起行为动作异常,其中包括:多动症、身体与智力发育迟缓、眼和手动作协调能力差、学习障碍等症状。如果人体长期受到铅污染,还会引起贫血、四肢神经损伤、骨骼与肌肉组织不正常、男性精子数量减少,血铅含量高还可导致高血压、骨质疏松等症。世界卫生组织指出:13种与儿童健康有关的危害因素,重金属铅即是其中一种。铅是一种具有神经毒性的重金属元素,在人体内无任何生理作用,然而铅又在环境中普遍存在。


然而,饮用水铅污染最为典型的案例就是发生在美国密歇根州弗林特市的自来水系统铅中毒事件,含铅量超标致使居民无法正常吃水、用水,更威胁当地孩子的身体健康。几十年来,该市原本老旧的供水系统一直受到人们信赖,可是由于化学物质侵蚀了含铅的供水管道,致使水被铅污染,使得成千上万的人接触到神经毒素。


因此,对于饮用水中的含铅量进行检验非常有必要。一般的检验方法都是采集水样,然后送至实验室进行检验。然而,铅的含量会随着时间而变化,为了得到可信的结果,就需要进行频繁的采样。这样不仅耗时较长,而且成本昂贵,使得我们无法充分检测自己家中的水质


(图片来源于:密歇根大学


创新


为了解决上述问题,最近美国密歇根大学的化学工程教授 Mark Burns 和他的同事们开发出一种用于检测铅的新型电子传感器,成本约在20美元左右,可方便地安装于城市供水系统的关键点和家庭中的水龙头上,用于监测家庭和城市的水质,提醒居民和公务人员,9天内水中是否有铅出现


这项研究标题为《检测铅和其他重金属的饮用水传感器》(A drinking water sensor for lead and other heavy metals),发表于《分析化学》杂志。


(图片来源于:Evan Dougherty, 密歇根大学


他们也正在寻找合作伙伴将这项技术推向市场。Burns 表示:


“我希望它将产生一些作用,因为想到水中有铅,往往会让人提心吊胆。”


技术


这种传感器技术关键就是:它将铅从所有其他可能出现在水中的金属中分离出来,这些金属大多数只是在非常高的剂量情况下,才会构成危险。化学工程专业的博士研究生 Wen-Chi Lin 说:


“由于铁是水中最常出现的金属,而且基本上是无害的(除了有了一种难闻的气味),我们认为它干扰了我们的传感器。”


因此,她设计出一种传感器可以区分铅和其他金属例如铁。这种传感器依赖于两对电极,正电极和它的中性邻居建立起一个稀缺电子的环境,而负电极和它的中性邻居建立起一种富含电子的环境。


(图片来源于:Wen-Chi Lin, Burns Lab


负电极为正离子提供电子,吸引到大部分金属。金属在水中已经被氧化了,意味着他们已经失去了一些电子,所以他们希望有机会重新获取电子。


(图片来源于:密歇根大学


然而,铅却被吸引到电极组的正极一侧,它是唯一的容易失去更多的电子,从而进一步被氧化的污染物金属


(图片来源于:密歇根大学


Lin 在各种各样的环境中测试了这些传感器:模拟的自来水和从实际的水龙头流出的自来水,添加或者不添加金属。因为铅位于正电极上,它最终到达中性电极,闭合电路而且产生一个电压,电路将记录下这个电压,并触发报警。


(图片来源于:密歇根大学


负极的情况也相似,吸引高浓度的铁、锌和铜,这些金属也会成为健康隐患。传感器可以区分开铅的问题和其他金属中某一个的问题。Burns 称:


“可能会有一个应用程序监测所有的水龙头,并且当它监测到事件时,会给你发送一条电子邮件信息。”


Lin 特别注意到了误报的情况,这种检测的情况代表电极有问题(并不是整个传感器),它会引起家庭或者官方不必要的担忧。


一种潜在的导致错误的铅警报情况是铜的浓度过高。铜很擅长获取额外的电子,它会在临近正电极的中性电极聚集。但是铜只会在高浓度的情况下产生电压,接近环境保护署规定的处置界限:每10亿1,300个。


作为对比,一星期之后,铅达到环境保护署规定的处置界限:每10亿15个。据疾病控制中心称,这个水平不会超过成年人血液中的水平。根据水化学原理,在一两天之后的时间,出现的铅浓度更高,达每10亿150个。


Lin 相信通过优化,正电极将更好地吸引铅而不是铜。


价值


总结一下,这项研究的价值主要是利用传感器实现水中铅含量的实时检测,无需将水样再送往实验室和专业检测机构,在家中就可以实现。


这种传感器成本低廉,便于安装,还可以将铅的检测与其他金属的检测区分开来。


这种传感器还有望集成到智能家居系统中去,实现家庭饮用水水质的实时监测,防止铅等重金属危害我们的健康。


参考资料


【1】http://ns.umich.edu/new/multimedia/videos/25009-affordable-lead-sensor-for-home-city-water-lines

【2】Wen-Chi Lin et al. A drinking water sensor for lead and other heavy metals, Analytical Chemistry (2017). DOI: 10.1021/acs.analchem.7b00843




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