A new membrane electrode that is fast, selective and sensitive to low amounts of nitrate

النيترات هي مركب كيميائي بسيط يوجد بشكل طبيعي في الأرض والمياه والنباتات التي نأكلها. وهي تلعب دوراً حيوياً في الزراعة، حيث تساعد المحاصيل على النمو، وغالباً ما تُضاف إلى اللحوم المصنعة للحفاظ على لونها ونكهتها. ومع ذلك، عندما تصبح مستويات النيترات مرتف old جداً، يمكن أن تكون العواقب وخيمة. ففي المجاري المائية، تعمل النيترات الزائدة كسماد فائق، مما يؤدي إلى نمو انفجاري للطحالب التي تستنزف الأكسجين وتقتل الأسماك. وفي جسم الإنسان، يمكن للنيترات بمستوياتها العالية أن تتحول إلى مركبات أخرى مرتبطة بمخاطر صحية جسيمة. وبسبب هذه المخاطر، يعد مراقبة النيترات في مياه الشرب والغذاء مهمة بالغة الأهمية للصحة العامة والسلامة البيئية. حالياً، يعتمد العلماء على معدات مختبرية متطورة لقياس هذه المستويات، لكن هذه الأجهزة باهظة الثمن، وتتطلب تحضيراً معقداً للعينات، ولا يمكن استخدامها مباشرة في الميدان. وهذا يخلق حاجة لطريقة أبسط وأسرع وأكثر اقتصادية للكشف عن النيترات في مكان وجودها مباشرة.

في دراسة حديثة، طور باحثون في جامعة غازي في تركيا أداة جديدة صُممت لحل هذه المشكلة: مستشعراً متخصصاً يمكنه اكتشاف كميات ضئيلة من النترات بسرعة ودقة. هذا الجهاز هو نوع من الأقطاب الكهربائية الانتقائية للأيونات، والتي تعمل بشكل يشبه لسانًا شديد الحساسية يمكنه تذوق مادة كيميائية محددة في خليط مع تجاهل كل شيء آخر. قام الباحثون ببناء هذا المستشعر باستخدام غشاء رقيق ومرن مصنوع من مزيج من البلاستيك، وعامل ملين، ومادة كيميائية خاصة تجذب أيونات النترات. ومن خلال ضبط نسب هذه المكونات بعناية، نجحوا في ابتكار مستشعر يستجيب فوراً تقريباً عند وجود النترات، منتجاً إشارة كهربائية يمكن قياسها وتحويلها إلى قيمة تركيز.

اختبر الفريق مستشعرهم الجديد على نطاق واسع لضمان عمله في ظروف العالم الحقيقي. ووجدوا أن المستشعر كان حساساً بشكل ملحوظ، حيث كان قادراً على اكتشاف النترات بمستويات منخفضة تصل إلى عُشرين من مليون مول لكل لتر. وعندما زاد تركيز النترات في المحلول بمقدار عشرة أضعاف، تغيرت الإشارة الكهربائية للمستشعر بنحو 57 ميلي فولت، وهي استجابة ثابتة ومتوقعة تتوافق مع التوقعات النظرية لمثل هذا الجهاز. ولعل الأهم من ذلك بالنسبة للاستخدام العملي، هو أن المستشعر عمل بشكل موثوق عبر نطاق واسع من مستويات الحموضة، حيث عمل بشكل صحيح في محاليل تتراوح درجة الحموضة (pH) فيها بين 1 و8. وهذا يعني أنه يمكن استخدامه في كل شيء، بدءاً من التصريف الصناعي الحمضي وصولاً إلى مياه الشرب المتعادلة، دون الحاجة لتعديل العينة أولاً. كما أثبت الجهاز أنه سريع للغاية، حيث استقر في قراءته خلال 20 ثانية فقط، وهو ما يمثل تحسناً كبيراً عن العديد من الطرق الحالية التي تتطلب فترات انتظار طويلة.

ولإثبات أن المستشعر لا يسهل اختلاطه بمركبات كيميائية أخرى، اختبره الباحثون مقابل مجموعة متنوعة من الأيونات الشائعة، بما في ذلك الصوديوم والبوتاسيوم والكلوريد والكبريتات. وأظهرت النتائج أن المستشعر ظل مركزاً على النترات، متجاهلاً هذه المواد الأخرى حتى عند وجودها في المحلول. وتعد هذه الدرجة العالية من الانتقائية أمراً بالغ الأهمية، حيث إن عينات العالم الحقيقي مثل مياه الأنهار أو النقانق هي خليط معقد حيث توجد العديد من المواد الكيميائية المختلفة معاً. ثم أخذ الباحثون المستشعر من المختبر إلى الميدان، واختبروه على عينة من النقانق وعينة من مياه الشرب من أنقرة. وقارنوا النتائج من مستشعرهم الجديد مقابل طريقة مختبرية قياسية تستخدم مطيافية الضوء المرئي، وهي تقنية تقيس مقدار امتصاص العينة للضوء. وكانت الأرقام من كلتا الطريقتين متطابقة تقرياً، حيث قاس المستشعر 0.36 مليغرام لكل لتر في النقانق و1.52 مليغرام لكل لتر في الماء، وهو ما يطابق نتائج المختبر بهامش خطأ صغير جداً.

تخلص الدراسة إلى أن هذا القطب الغشائي يقدم بديلاً عملياً للتحليل المختبري التقليدي المكلف. فهو سهل التحضير، ولا يتطلب تحضيراً معقداً للعينات، ويقدم النتائج في ثوانٍ بدلاً من ساعات. وبينما أشار الباحثون إلى أن المستشعر قد تم اختباره على عينات محددة، إلا أن البيانات تشير إلى أنه قوي بما يكفي لتحليل النترات في بيئات متنوعة. ومن خلال توفير أداة تتسم بالحساسية والانتقائية، يفتح هذا العمل الباب أمام مراقبة أكثر تكراراً وسهولة لمستويات النيترات، مما قد يساعد في حماية جودة المياه وسلامة الغذاء دون عبء التكاليف العالية أو فترات الانتظار الطويلة.