Nanosensoreiden kehitys on merkittävä askel sensoriteknologian alalla, erityisesti ympäristön ja vesien laadun valvonnassa. Perinteisiin sensoreihin verrattuna nanosensoreilla on monia etuja, kuten korkea herkkyys, selektiivisyys, nopea vasteaika, alhaiset kustannukset ja kätevyys. Nämä sensorit perustuvat nanoteknologian ainutlaatuisiin ominaisuuksiin ja hyödyntävät nanopartikkelien erityispiirteitä, kuten suurta pinta-alaa ja korkean reaktiivisuuden, joiden ansiosta ne voivat havaita kemiallisia, biologisia ja fysikaalisia muutoksia äärimmäisen tarkasti.

Nanomittauslaitteet voivat reagoida biologisiin, kemiallisiin tai fysikaalisiin ärsykkeisiin samalla tavalla kuin perinteiset sensorit, mutta ne pystyvät hyödyntämään nanomateriaalien ominaisuuksia, jotka mahdollistavat entistä tarkempien ja spesifisempien mittausten suorittamisen. Tämä johtaa uusien tunnistus- ja muunnosmekanismien syntymiseen, jotka parantavat sensorien suorituskykyä. Nanosensoreiden käyttö veden käsittelyssä on erityisen tärkeää, sillä ne mahdollistavat tehokkaamman ja tarkemman prosessien seurannan ja optimoinnin. Nanosensoreiden avulla voidaan jatkuvasti mitata veden laatu ja sen saastumistasot eri käsittelyvaiheissa, mikä takaa prosessien tehokkuuden ja lopullisen käsitellyn jäteveden laadun.

Nanosensorit voivat havaitsemaan esimerkiksi saastuneen veden kosteuden, virtausnopeuden ja saastuttajien kulkeutumisen maaperässä, mikä on tärkeää ympäristönsuojelussa ja ekosysteemien suojelemisessa. Näiden sensorien käyttö ei rajoitu pelkästään vedenlaadun mittaamiseen vaan ulottuu myös jäteveden puhdistuksen optimointiin ja tehostamiseen. Nanosensoreilla voidaan seurata tarkasti prosessien vaiheita, kuten sedimentaatiota, biologista hapenkulutusta ja kemiallisia reaktioita, jolloin voidaan estää mahdollisten epäpuhtauksien pääsy takaisin vesistöihin.

Kivihiilen ja grafiitin nanopartikkelit sensorien osina

Erityisesti hiilen nanopartikkelit, kuten hiilinanoputket (CNT) ja grafiitti, ovat nousseet keskeisiksi materiaaleiksi kemiallisessa ja biologisessa analyysissa. Näillä aineilla on monia erikoisominaisuuksia, kuten säädettävä sähkönjohtavuus, hallittavat pinnan toiminnallisuudet, vahva mekaaninen kestävyys ja suuri pinta-ala, jotka tekevät niistä erityisen sopivia sensoriteknologiaan. Hiilinanoputkien ja grafiitin johtavuus on äärimmäisen herkkä pienillekin muutoksille, mikä mahdollistaa äärimmäisen tarkan mittaustuloksen. Näitä materiaaleja hyödynnetään erityisesti vastus-sensoreissa, kuten kemoresistoreissa ja kenttäefektitransistoreissa (FET).

Kemoresistorit, kuten CNT-tyyppiset sensoreiden komponenteissa käytettävät materiaalit, perustuvat siihen ilmiöön, että kemiallisten yhdisteiden adsorptio tai desorptio nanopartikkelien pinnalla muuttaa niiden resistiivisyyttä. Tämä ilmiö on perusta niiden herkälle toiminnalle, joka mahdollistaa epäpuhtauksien tarkat mittaukset jopa parts-per-billion (ppb) -tasolle. Kenttäefektitransistorit (FET) sen sijaan ovat vakaampia ja soveltuvat erityisesti tarkkoihin mittauksiin, joissa pyritään havaitsemaan äärimmäisen pieniä sähköisiä muutoksia nanomittakaavassa.

Metallin nanopartikkelit ja niiden käyttö sensoriteknologiassa

Metallin nanopartikkelit, erityisesti jalometallit kuten kulta, hopea ja platina, ovat tärkeä osa sensoriteknologiaa. Niillä on erinomainen sähkönjohtavuus, säädettävät optiset ominaisuudet ja suuri pinta-ala, mikä tekee niistä ihanteellisia materiaaleja elektrolyyttisten nanomittareiden pinnoittamiseen. Jalometallien nanopartikkelit parantavat signaalin ja kohinan suhdetta sekä edistävät elektrokemiallisia reaktioita, kuten vetyperoksidin (H2O2) ja nitriitin havaitsemista. Näiden materiaalien avulla saadaan entistä tarkempia ja luotettavampia mittaustuloksia, mikä on oleellista esimerkiksi ympäristön suojelussa ja vesien puhdistuksessa.

Esimerkiksi grafiiniin perustuva FET-sensori on kehitetty nopeasti tunnistamaan koronaviruksen proteiineja ihmiseltä otetuista nenä-nielunäytteistä. Tällaiset sensorit voivat tarkasti havaita infektion ilman erillistä näytteen esikäsittelyä tai merkintää, mikä tekee niistä paitsi herkempiä myös erittäin käteviä ja kustannustehokkaita.

Nanoteknologia mahdollistaa uusien, edistyksellisten mittausmenetelmien käyttöönoton, jotka tuovat merkittäviä etuja muun muassa jäteveden käsittelyn ja ympäristön valvonnan alueille. Nanomateriaalit, kuten hiilen ja metallin nanopartikkelit, tarjoavat uskomattoman herkkyyden ja tarkkuuden, jotka parantavat mittaustuloksia ja auttavat minimoimaan kalliita virheitä ympäristönsuojelussa.

Tämä teknologia voi myös auttaa vähentämään käytettyjen reagenssien ja näytemäärien tarvetta, mikä puolestaan pienentää mittausten kustannuksia ja parantaa niiden ympäristöystävällisyyttä.

Nanopartikkelit ja vesistön laatu: Mahdollisuudet ja haasteet vedenpuhdistuksessa

Nanopartikkelit, kuten piidioksidi ja hopean nanohiukkaset, ovat usein löytyneet kaatopaikkapitoisuuksista (Vaidh et al., 2022), mikä viittaa mahdolliseen pohjaveden saastumiseen nanomateriaaleilla (ENP). Eri tavoin valmistetut nanomateriaalit, joita kutsutaan suunnitelluiksi nanomateriaaleiksi (ENP), eroavat luonnollisista nanohiukkasista siinä, että niiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, kuten muoto, koko, pintalataus ja koostumus, ovat tarkasti hallittuja. Tämä mahdollistaa erityisten analyyttisten menetelmien kehittämisen ENP:n tunnistamiseksi vedestä. Silti nanohiukkasten analysointi vedessä on vielä alkuvaiheessa (Reagen ja Zhao, 2022), ja lisätutkimusta ja -kehitystä tarvitaan nykyisten vedenlaadun analyysimenetelmien parantamiseksi, erityisesti suunniteltujen nanomateriaalien osalta.

Suspendoituneet hiukkaset, kuten sedimentit, kolloidit ja nanohiukkaset, voivat vaikuttaa merkittävästi veden laatuun. Riippumatta niiden koosta, nämä hiukkaset lisäävät veden sameutta ja vähentävät sen kirkastavuutta. Pintavesissä korkea sameus tarkoittaa heikkoa kirkastavuutta, mikä rajoittaa auringonvalon syvyyttä. Tämän seurauksena veden lisääntynyt suspendoituminen heikentää vesiekosysteemin fotosyntettistä tuotantoa. Lisäksi näiden hiukkasten ja auringonvalon sekä vesiliuoksessa olevien kemikaalien välinen vuorovaikutus voi aiheuttaa lämpötilan nousua ja liuenneen hapen määrän vähenemistä, mikä vaikuttaa veden laatuun. Vaikka suuret sedimentit asettuvat yleensä nopeasti ja niillä on suhteellisen alhainen myrkyllisyys, kolloidit ja nanohiukkaset – erityisesti taudinaiheuttajat ja ENP – ovat vaarallisia aineita, jotka voivat aiheuttaa suuria myrkytys- ja saastumisriskejä vesistössä.

Vesistöissä esiintyvät taudinaiheuttajat, kuten virukset, bakteerit ja alkueläimet, voivat merkittävästi huonontaa veden laatua ja käyttökelpoisuutta, sillä ne voivat aiheuttaa vakavia sairauksia, kuten ripulia, oksentelua, vatsakramppeja, kuumetta ja ihottumaa. Yleisimmät vesistössä esiintyvät taudinaiheuttajat ovat viruksia (esim. norovirus ja hepatiitti A), bakteereita (E. coli O157:H7 ja salmonella) sekä loisia (cryptosporidium ja giardia), jotka voivat aiheuttaa vesivälitteisiä infektioita. Koska ne ovat biokolloideja, taudinaiheuttajat voivat pysyä suspendoituneina vedessä ja liikkua helposti virtauksen mukana. Taudinaiheuttajien laajalle levinnyt esiintyminen vesistöissä on aiheuttanut monia epidemioita kehittyvissä ja kehittyneissä maissa (Magana-Arachchi ja Wanigatunge, 2020). Maailman terveysjärjestön (WHO) mukaan vesivälitteiset taudinaiheuttajat tappoivat ennen vuotta 2002 yli 3,4 miljoonaa ihmistä, useimmiten lapsia (WHO, 2002). Yhdysvaltain tautikeskukset (CDC) raportoivat 444 cryptosporidioosi-tapausta vuosina 2009–2017, joista suurin osa liittyi veden saastumiseen, kuten saastuneen veden nielemiseen uima-altaissa tai vesileikkikentillä. Yksi Yhdysvaltojen tunnetuimmista cryptosporidium-puhkeamista tapahtui Milwaukee, Wisconsinin kaupungissa vuonna 1993, jolloin yli 400 000 ihmistä sairastui kaupungin vesihuoltojärjestelmän saastuttua cryptosporidiolla, joka on kloorille vastustuskykyinen. Tämä vesivälitteinen infektio aiheutti noin 100 kuolemaa.

Toisin kuin luonnolliset sedimentit ja kolloidit, ENP:t on suunniteltu ja valmistettu ainutlaatuisilla ominaisuuksilla erilaisten elämää parantavien sovellusten, kuten elektroniikan, biolääketieteen, lääketeollisuuden, kosmetiikan ja toiminnallisten materiaalien sovellusten, tarpeisiin (Hochella et al., 2019). Nanoteknologia on yksi nopeimmin kasvavist

Nanopartikkelien karakterisointi ja analysointimenetelmät vesiliuoksissa

Skannaus-elektronimikroskopia (SEM) käyttää matalaenergisillä elektronisäteillä skannaamalla näytteen pintaa, luodakseen SEM-kuvan. Skannaavat elektronit ovat vuorovaikutuksessa pintaan sitoutuneiden atomien kanssa ja heijastuvat takaisin tuottaen signaaleja, jotka voidaan tulkita korkean resoluution kuviksi nanoskaalassa. Koska SEM käyttää sähkömagneetteja linssejä sijaan, sen suurennusaste on helposti säädettävissä, ja tiheästi sijoittuneita nanohiukkasia voidaan suurentaa huomattavasti korkeammilla tasoilla. Lisäksi sillä on suuri syväterävyys, jolloin se pystyy tarkentamaan useille näytteille samanaikaisesti. SEM:n korkean resoluution ja käytettävyyden vuoksi siitä on tullut yksi suosituimmista karakterisointityökaluista nanoteknologian alalla. SEM-näytteiden erityisvalmistelua usein vaaditaan lisäämään niiden sähköistä johtavuutta, mikä yleensä saavutetaan metallifilmin (esimerkiksi kullan) haihduttamisella tyhjiötilassa. Kuitenkin matalaenergia-SEMiä voidaan käyttää jopa ei-johdettavien näytteiden visualisoimiseen ilman metallikerrosta.

Transmissioelektronimikroskopia (TEM) toimii samalla elektronisäteillä kuin SEM, mutta eri tavalla. TEM:ssa elektronit läpäisevät näytteen pinnan luodakseen kuvia. TEM-analyysi voi olla altis näytteen paksuudelle, koostumukselle, tiheydelle ja kiteisyydelle. TEM-näyte on usein äärimmäisen ohut, alle 100 nm:n paksuinen, ja se asetetaan ruudukkoon. Kuvan muodostuminen perustuu elektronien vuorovaikutukseen näytteen kanssa niiden kulkiessa sen läpi. Tämä mahdollistaa näytteen hienoimpien yksityiskohtien tarkastelun ja monenlaisten nanometrin tai atomitason resoluution tietojen keräämisen, jotka paljastavat ei vain atomien sijainnin, vaan myös sen, millaisia atomeja ne ovat ja miten ne ovat toisiinsa sitoutuneet. Tämän vuoksi TEM on olennainen työkalu nanoskaalan tutkimuksessa, mukaan lukien ympäristönäytteiden analysointi.

Skannaus-tunnelointimikroskopia (STM) kehitettiin vuonna 1981 kahden IBM-insinöörin, Gerd Binningin ja Heinrich Rohrerin, toimesta. STM on tehokas tekniikka, joka mahdollistaa pintojen tarkastelun atomitasolla kvanttimekaanisen tunnelointiefektin perusteella. STM mittaa näytteen tilan tiheysmuutoksia tunnelointivirran avulla ja tarjoaa erittäin korkean resoluution, alle 0,1 nm (1 Å). Kun STM:n kärki skannaa pintaa, tunnelointivirta on funktio kärjen sijainnista, jota voidaan käyttää kuvien luomiseen. STM pystyy siis skannaamaan näytteen pintaa atomitasolla ja luomaan yksittäisten atomien sekä elektronitiheyksien kartan. Kuitenkin STM pystyy yleensä kuvaamaan vain johtavia tai puoli-johteellisia pintoja.

Atomivoimamittaus (AFM) on toinen menetelmä, jolla voidaan visualisoida näytteiden morfologia atomitasolla. AFM käyttää atomien välisiä voimia, ei vain pinnan muodon kuvaamiseen, vaan myös määrittämään molekyylien välisten voiman vuorovaikutusten avulla atomirakenteet. Kuten STM, AFM perustuu mekaaniseen anturiin näytteen pinnalta kerättävän tiedon visualisoimiseksi, mutta se käyttää laserbeam deflektiojärjestelmää tunnelointivirran sijasta. Tämän vuoksi AFM:llä on etuja STM:ään verrattuna, ja se on sovellettavissa lähes kaikkien pintojen karakterisointiin, kuten polymeerien, lasien, keraamisten ja biologisten näytteiden analysointiin. AFM on laajasti käytetty nanoskaalan tutkimuksessa, erityisesti ympäristönanohiukkasten (ENP) analysoimisessa monenlaisissa sovelluksissa, myös ympäristötutkimuksessa.

Monet muut sähkömagneettisiin aaltoihin (EW) perustuvat laitteet ovat myös olleet käytössä ENP:iden karakterisoinnissa vedessä. Näitä ovat muun muassa röntgen-, mikroaaltosäteily, infrapunasäteily, ultraviolettisäteily ja näkyvä valo (380–700 nm), joka on vain pieni osa laajasta spektristä. Infrapunasäteily (780 nm–1 mm) ja röntgenit (0,01–10 nm) ovat olleet tehokkaita työkaluja materiaalien, mukaan lukien ENP-analyysien, karakterisoinnissa. Röntgensäteilyä käyttävät useat analyyttiset instrumentit, kuten energiadispersiivinen röntgenspektroskopia (EDS), röntgendiffraktio (XRD), röntgenfotoelektronispektroskopia (XPS), röntgenfluoresenssi (XRF) ja röntgenabsorptiopuhetekniikka (XAS). EDS:tä käytetään usein elektronimikroskoopin kanssa alkuaineiden kartoitukseen. XRD on monipuolinen ja ei-haitallinen analyysimenetelmä, joka on erittäin hyödyllinen ENP:iden kiteiden rakenteen ja koostumuksen määrittämisessä. XPS puolestaan on yleisesti käytetty röntgeniin perustuva karakterisointityökalu, joka voi paljastaa nanopartikkelien käyttäytymistä ja erityisesti niiden pintakemian.

NMR, Raman-spektroskopia ja Fourier-muunnosspektroskopia (FTIR) ovat muita tavallisesti käytettyjä EW-pohjaisia instrumentteja ENP:iden kemialliseen analyysiin. NMR voi tutkia ENP:iden sisäisiä rakenteita ja niiden pintapinnoitteita. Raman-spektroskopia voi antaa tietoa ENP:iden kemiallisesta rakenteesta, faasista, kiteisyydestä ja molekulaarisesta symmetriasta. FTIR puolestaan on erityisesti hyödyllinen kemiallisten sidosten karakterisoinnissa, erityisesti ENP:iden ja orgaanisten pinnoitteiden välisissä vuorovaikutuksissa.

Dynaaminen valonsironta (DLS) on laajasti käytetty menetelmä, joka mittaa sironnan intensiteettiä laserista, joka kulkee nanopartikkelien suspensiosta ja määrittää niiden hydrodynaamiset halkaisijat. DLS mittaa Brownin liikkeen vaikutusta yksittäisiin hiukkasiin ja käyttää laskentatehtäviin sisäänrakennettua ohjelmistoa nanopartikkelien kokojakauman laskemiseksi. Elektroforeettinen valonsironta (ELS) puolestaan mittaa elektroforeettisia nopeuksia määrittääkseen nanopartikkelien Zeta-potentiaalit eri pH-arvoissa.

Nanopartikkeleiden pintavaraus ja stabiilisuus vesiliuoksissa

Nanopartikkelien, erityisesti nanometallien ja nanometallihappojen, pintavarauksen ja -potentiaalin ymmärtäminen on keskeistä niiden käyttäytymisen arvioimiseksi vesiliuoksissa. Zeta-potentiaali (ζ-potentiaali) on tärkeä mittari, joka määrittää nanopartikkelien pinnan varauksen ja niiden suspensioiden stabiilisuuden. Zeta-potentiaalin avulla voidaan arvioida myös nanopartikkelien keskinäistä vuorovaikutusta ja aggregaatiota vesiliuoksissa, mikä on olennaista, kun tarkastellaan nanopartikkelien käyttäytymistä eri ympäristöissä.

Zeta-potentiaalin avulla voidaan myös määrittää nanopartikkelien nollavarauksen piste, joka ilmenee, kun zeta-potentiaali on nolla tietyssä pH-arvossa. Tämä käyrä, joka esittää zeta-potentiaalin muutoksia liuoksen pH:n funktiona, on hyödyllinen työkalu nanopartikkelien pinnoiteominaisuuksien ja niiden käyttäytymisen ennustamiseen vesiliuoksessa. Pienillä pH-arvoilla nanopartikkelit voivat saada positiivisen pinnan varauksen, kun taas suuremmilla pH-arvoilla negatiivinen pinta on hallitseva. Tällöin voidaan odottaa nanopartikkelien olevan vähemmän stabiileja ja alttiimpia aggregaatiolle, mikä voi vaikuttaa niiden ympäristöön pääsemiseen ja käyttäytymiseen.

Zeta-potentiaalin mittaamisen lisäksi toinen tärkeä työkalu nanomateriaalien tutkimuksessa on dynaaminen valonhajonta (DLS). DLS-mittauksilla voidaan arvioida nanopartikkelien kokojakaumaa ja niiden liikkeen dynamiikkaa vesiliuoksessa. Tämä tekniikka tarjoaa tietoa nanopartikkelien aggregaation asteesta ja niiden vuorovaikutuksista liuoksen komponenttien kanssa. Dynaaminen valonhajonta toimii siten, että nanopartikkelit saavat aikaan valon hajontaa, jonka voimakkuus vaihtelee nanopartikkelien liikkeen nopeuden mukaan. Tämän tiedon perusteella voidaan laskea, kuinka nopeasti nanopartikkelit aggregoituvat, mikä on elintärkeää nanopartikkelien stabiliteetin arvioimiseksi ja niiden mahdollisten ympäristövaikutusten ymmärtämiseksi.

Toinen merkittävä tekniikka nanopartikkelien tutkimuksessa on Brunauer-Emmett-Tellerin (BET) teoria, joka laajentaa Langmuirin teoriaa monikerroksiseen kaasujen adsorptio-prosessiin. BET-menetelmässä mitataan partikkeleiden pinta-ala, joka liittyy niiden kykyyn sitoa kaasuja, kuten typpiä (N₂). Tämä on erityisen tärkeää kiinteiden nanopartikkelien, kuten nanometallien ja niiden oksidien, analysoinnissa. BET-SSA (spesifinen pinta-ala) riippuu suuresti partikkeleiden välisten huokosten määrästä. Toisin kuin huokoselliset nanopartikkelit, kuten metalli-orgaaniset kehykset (MOF), joissa BET-pinta-ala heijastaa pääasiassa sisäisten huokosten määrää, kiinteiden nanopartikkelien BET-pinta-ala heijastaa enemmän niiden välistä huokoisuutta. Tämä tieto on tärkeää nanomateriaalien suunnittelussa ja niiden käyttömahdollisuuksien ymmärtämisessä.

Nanopartikkelien käyttäytyminen vesiliuoksissa ei kuitenkaan ole vain tekninen haaste. Ympäristön ja biologisten systeemien kannalta on olennaista ymmärtää, miten nämä nanomateriaalit käyttäytyvät ja miten ne voivat vaikuttaa ekosysteemeihin. Nanopartikkelien aggregaatio ja sedimentoituminen voivat vaikuttaa niiden bioaktiivisuuteen ja mahdollisesti johtaa niiden kertymiseen ympäristön eliöihin. Esimerkiksi, kun nanopartikkelit joutuvat jätevesiin tai maaperään, niiden aggregaatiot ja sedimentaatiot voivat vaikuttaa vedenlaatuun ja maaperän terveyteen. Tämän vuoksi ympäristöturvallisuusnäkökulmat, kuten nanopartikkelien liukeneminen, liikkuminen ja biohajoaminen, ovat avainasemassa niiden riskien arvioinnissa.

Viimeisimpien tutkimusten mukaan on myös huomioitava, että nanomateriaalien ympäristövaikutukset voivat vaihdella riippuen niiden koostumuksesta, koosta, muodosta ja toiminnallisista pinnoitteistaan. Nanomateriaalien vaikutuksia on tutkittu erityisesti elävissä organismeissa, ja on havaittu, että esimerkiksi hopean nanopartikkelit voivat akumuloitua vesieliöihin, kuten vesikirppuihin, ja vaikuttaa niiden elintoimintoihin. Tällöin nanopartikkelien tunnistaminen ja kvantifiointi on tärkeää, jotta voidaan arvioida niiden pitkäaikaisvaikutuksia.

Yksi keskeinen elementti, joka saattaa jäädä huomiotta, on se, että nanopartikkelien käyttäytyminen vesiliuoksissa voi muuttua ympäristön olosuhteiden mukaan, kuten lämpötilan, pH:n ja ionivahvuuden muuttuessa. Nanopartikkelien stabiilisuus ei ole staattinen, vaan se voi vaihdella ajallisesti ja tilallisesti riippuen siitä, kuinka ne vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa. Siksi on tärkeää, että tutkimuksessa otetaan huomioon nämä muuttuvat tekijät, sillä ne voivat merkittävästi vaikuttaa nanopartikkelien ekologisiin ja toksikologisiin vaikutuksiin.

Miten vanhempien reaktiot vaikuttavat lasten käyttäytymiseen?
Miten fotoniikka ja optoelektroniikka muokkaavat teollisuuden tulevaisuutta Industry 5.0:ssa?
Miten valmistaa maukkaita ja nopeita aterioita kotona – vinkkejä ja reseptejä
Miten analysoida pyöräilymatkojen etäisyyksiä ja käyttäjätietoja: Käytännön esimerkki