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

Nitraat is een eenvoudige chemische verbinding die van nature voorkomt in de aarde, het water en de planten die we eten. Het speelt een vitale rol in de landbouw, waarbij het helpt bij de groei van gewassen, en wordt vaak toegevoegd aan bewerkt vlees om de kleur en smaak te behouden. Wanneer de nitraatniveaus echter te hoog worden, kunnen de gevolgen ernstig zijn. In waterwegen werkt overtollig nitraat als een supermeststof, wat een explosieve groei van algen uitlokt die zuurstof verbruiken en vissen doden. In het menselijk lichaam kunnen hoge concentraties nitraat transformeren in andere verbindingen die gelinkt zijn aan ernstige gezondheidsrisico's. Vanwege deze gevaren is het monitoren van nitraat in ons drinkwater en voedsel een cruciale taak voor de volksgezondheid en de milieuveiligheid. Momenteel vertrouwen wetenschappers op geavanceerde laboratoriumapparatuur om deze niveaus te meten, maar deze machines zijn duur, vereisen complexe monsterbereiding en kunnen niet direct in het veld worden gebruikt. Dit creëert een behoefte aan een eenvoudigere, snellere en betaalbaardere manier om nitraat te detecteren op de plek waar het zich bevindt.

In een recente studie hebben onderzoekers aan de Gazi Universiteit in Turkije een nieuw hulpmiddel ontwikkeld dat is ontwor een dit probleem op te lossen: een gespecialiseerde sensor die kleine hoeveelheden nitraat snel en nauwkeurig kan detecteren. Dit apparaat is een type ion-selectieve elektrode, die functioneert als een zeer gevoelige tong die een specifieke chemische stof in een mengsel kan proeven terwijl de rest wordt genegeerd. De onderzoekers bouwden deze sensor met behulp van een dun, flexibel membraan gemaakt van een mengsel van plastic, een weekmaker en een speciale chemische stof die nitraationen aantrekt. Door de verhoudingen van deze ingrediënten zorgvuldig aan te passen, creëerden ze een sensor die bijna onmiddellijk reageert wanneer nitraat aanwezig is, waarbij een elektrisch signaal wordt geproduceerd dat gemeten en omgezet kan worden in een concentratiewaarde.

Het team heeft hun nieuwe sensor uitgebreid getest om te verzekeren dat deze onder realistische omstandigheden werkt. Ze ontdekten dat de sensor opmerkelijk gevoelig was, in staat om nitraat te detecteren op niveaus zo laag als twee tienden van een miljoenste mol per liter. Wanneer de concentratie nitraat in een oplossing tienvoudig toenam, veranderde het elektrische signaal van de sensor met ongeveer 57 millivolt, een consistente en voorspelbare reactie die overeenkomt met de theoretische verwachtingen voor een dergelijk apparaat. Misschien wel het belangrijkste voor praktisch gebruik: de sensor werkte betrouwbaar over een breed scala aan zuurgraadniveaus, functionerend in oplossingen met een pH tussen 1 en 8. Dit betekent dat het gebruikt kan worden voor alles van zuur industrieel afvalwater tot neutraal drinkwater, zonder dat het monster eerst aangepast hoeft te worden. Het apparaat bleek ook ongelooflijk snel te zijn, waarbij het zijn meting in slechts 20 seconden stabiliseerde, een significante verbetering ten opzichte van veel bestaande methoden die lange wachttijden vereisen.

Om te bewijzen dat de sensor niet gemakkelijk in de war kon raken door andere chemicaliën, testten de onderzoekers deze tegen een verscheidenheid aan veelvoorkomende ionen, waaronder natrium, kalium, chloride en sulfaat. De resultaten toonden aan dat de sensor gefocust bleef op nitraat en de andere stoffen negeerde, zelfs wanneer deze aanwezig waren in de oplossing. Dit hoge niveau van selectiviteit is cruciaal, aangezien monsters uit de echte wereld, zoals rivierwater of worst, complexe mengsels zijn waarin veel verschillende chemicaliën naast elkaar bestaan. De onderzoekers namen de sensor vervolgens mee uit het laboratorium en de praktijk in, waarbij ze de sensor testten op een worstmonster en een drinkwatermonster uit Ankara. Ze vergeleken de resultaten van hun nieuwe sensor met een standaard laboratoriummethode met behulp van zichtbare lichtspectroscopie, een techniek die meet hoeveel licht een monster absorbeert. De cijfers van beide methoden waren bijna identiek, waarbij de sensor 0,36 milligram per liter in de worst en 1,52 milligram per liter in het water mat, wat binnen een zeer kleine foutmarge overeenkwam met de laboratoriumresultaten.

De studie concludeert dat dit nieuwe membraanelektrode een praktisch alternatief biedt voor traditionele, dure laboratoriumanalyse. Het is eenvoudig voor te bereiden, vereist geen complexe monsterbereiding en levert resultaten in seconden in plaats van uren. Hoewel de onderzoekers opmerken dat de sensor op specifieke monsters is getest, suggereren de gegevens dat het robuust genoeg is voor de analyse van nitraat in diverse omgevingen. Door een hulpmiddel te bieden dat zowel gevoelig als selectief is, opent dit werk de deur naar frequenter en toegankelijker toezicht op nitraatniveaus, wat potentieel kan helpen bij het beschermen van de waterkwaliteit en voedselveiligheid zonder de last van hoge kosten of lange wachttijden.