مرجع تخصصی آب و فاضلاب

شناسایی فلزات سمی در آب با استفاده از حسگر‌ها (Sensors) یکی از روش‌های پیشرفته و ضروری برای پایش کیفیت آب و حفظ سلامت عمومی است. فلزات سنگین مانند سرب، آرسنیک، جیوه، کادمیوم و کروم حتی در غلظت‌های بسیار کم نیز خطرناک هستند و می‌توانند باعث مسمومیت، آسیب به سیستم عصبی و بیماری‌های مزمن شوند. در زیر به معرفی انواع حسگر‌های رایج، اصول کارکرد، مزایا و معایب آن‌ها پرداخته شده است:

انواع حسگر‌های شناسایی فلزات سمی در آب
۱. حسگر‌های الکتروشیمیایی (Electrochemical Sensors)
اصل کار: اندازهگیری تغییرات جریان، پتانسیل یا امپدانس الکتریکی ناشی از واکنش فلزات با الکترود‌ها.

زیرمجموعه‌ها:

ولتامتری (Voltammetry): شناسایی فلزات بر اساس کاهش یا اکسیداسیون آن‌ها (مانند DPV یا SWV).

پتانسیومتری (Potentiometry): استفاده از الکترود‌های یون-انتخابی (ISE) برای تشخیص یون‌های خاص (مثلاً Pb²⁺ یا Cd²⁺).

مزایا:

حساسیت بالا (تا سطح ppb).

قابلیت تشخیص همزمان چند فلز.

قابل حمل و کمهزینه.

معایب: نیاز به کالیبراسیون دقیق و امکان تداخل با یون‌های دیگر.

۲. حسگر‌های نوری (Optical Sensors)
اصل کار: استفاده از تغییرات طیفی (رنگ، فلورسانس یا جذب نور) هنگام برهمکنش فلز با مواد شناساگر.

انواع:

رنگسنجی (Colorimetry): تغییر رنگ ماده شناساگر (مثلاً نانوذرات طلا برای شناسایی جیوه).

فلورسانس (Fluorescence): خاموش یا روشنشدن فلورسانس در حضور فلز (مانند استفاده از کوانتوم داتها).

مزایا:

پاسخ سریع و ساده.

عدم نیاز به تجهیزات پیچیده.

معایب: محدودیت در تشخیص همزمان چند فلز.

۳. حسگر‌های زیستی (Biosensors)
اصل کار: استفاده از آنزیم‌ها، DNA، باکتری‌ها یا آنتیبادی‌های اصلاحشده برای شناسایی فلزات.

مثال‌ها:

آنزیم‌های مهارشده: فعالیت آنزیمی (مانند اورهآز) در حضور فلزات سنگین کاهش می‌یابد.

بیوسنسور‌های مبتنی بر DNA: اتصال فلزات به DNA و تغییر سیگنال الکتریکی یا نوری.

مزایا:

انتخابگری بالا.

سازگاری با محیطزیست.

معایب: پایداری کم در شرایط سخت (دما، pH).

۴. حسگر‌های مبتنی بر نانومواد (Nanomaterial-Based Sensors)
اصل کار: استفاده از نانوساختار‌ها (نانولوله‌های کربنی، گرافن، نانوذرات فلزی) برای افزایش سطح فعال و حساسیت.

مثال‌ها:

نانوذرات طلا برای تشخیص آرسنیک (As³⁺) با تغییر رنگ.

گرافن اکسید اصلاحشده برای جذب انتخابی سرب (Pb²⁺).

مزایا:

حساسیت فوقالعاده (تا سطح ppt).

امکان طراحی حسگر‌های پوشیدنی یا قابل حمل.

معایب: هزینه بالای تولید برخی نانومواد.

۵. سیستم‌های طیفسنجی (Spectroscopy-Based Systems)
اصل کار: تجزیه و تحلیل عنصری با دستگاه‌های آزمایشگاهی مانند:

طیفسنجی جذب اتمی (AAS).

پلاسمای جفتشده القایی-طیفسنج جرمی (ICP-MS).

طیفسنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF).

مزایا: دقت بسیار بالا و امکان شناسایی چندعنصری.

معایب: تجهیزات گرانقیمت، نیاز به اپراتور متخصص و غیرقابل حمل بودن.

مهمترین فاکتور‌ها در انتخاب حسگر
۱. حساسیت (Detection Limit): توانایی تشخیص غلظت‌های بسیار کم (ppb یا ppt).
۲. انتخابگری (Selectivity): تشخیص هدف بدون تداخل با سایر یون‌ها.
۳. سرعت پاسخ: زمان لازم برای دریافت نتیجه.
۴. هزینه: قیمت دستگاه و هزینه‌های نگهداری.
۵. پورتابل بودن: قابلیت استفاده در محیط‌های می‌دانی (مانند رودخانه‌ها یا چاهها).
۶. پایداری: مقاومت در برابر دما، pH و شرایط شیمیایی آب.

کاربرد‌های حسگر‌ها
پایش کیفیت آب آشامیدنی.

نظارت بر پساب‌های صنعتی (معادن، صنایع الکترونیک، آبکاری).

ارزیابی آلودگی آب‌های سطحی و زیرزمینی.

تحقیقات محیطزیستی و اپیدمیولوژیک.

چالش‌های رایج
تداخل شیمیایی با سایر عناصر موجود در آب.

نیاز به آمادهسازی نمونه (فیلتراسیون، تغلیظ).

محدودیت در تشخیص همزمان چند فلز.

کاهش دقت در آب‌های با شوری یا کدورت بالا.

حسگر‌های نوظهور و فناوری‌های آینده
حسگر‌های کاغذی (Paper-Based Sensors): ارزان، یکبارمصرف و مناسب مناطق محروم.

حسگر‌های هوشمند متصل به IoT: انتقال داده‌های بلادرنگ به پلتفرم‌های ابری.

حسگر‌های زیستی مصنوعی (SynBio Sensors): استفاده از مدار‌های ژنتیکی طراحی شده برای تشخیص فلزات.

جمعبندی
انتخاب حسگر مناسب به نیاز‌های کاربردی (می‌دانی vs. آزمایشگاهی)، نوع فلز هدف و بودجه بستگی دارد. برای مثال:

در محیط‌های صنعتی، حسگر‌های الکتروشیمیایی یا طیفسنجی پرتابل XRF گزینه‌های مناسبی هستند.

برای پایش می‌دانی در مناطق دورأفتاده، حسگر‌های کاغذی یا نانوموادی پیشنهاد می‌شوند.

در آزمایشگاه‌های پیشرفته، ICP-MS یا AAS استاندارد طلایی محسوب می‌شوند.

با پیشرفت فناوری نانو و زیستحسگر‌ها، انتظار می‌رود حسگر‌های ارزانتر، سریعتر و دقیقتری در آینده توسعه یابند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب