طوّر باحثون من جامعة جنوب الأورال الحكومية طريقةً جديدةً فائقة الحساسية للكشف عن أيونات الزئبق في المحاليل المائية. يعتمد هذا التطوير على قطب كهربائي متخصص قادر على الكشف عن هذا المعدن الخطير في غضون دقيقتين فقط، حتى عند تركيزات منخفضة للغاية.
ووفقًا للمطورين، تكمن فرادة عملهم في تعديل القطب الكهربائي باستخدام أكسيد عالي الإنتروبيا يحتوي على معدن البراسيوديميوم النادر. يُمكّن هذا التركيب القطب من الكشف عن الزئبق بتركيزات منخفضة تصل إلى نانومول واحد. ولتوضيح ذلك، فإن هذه القيمة أقل من الحد الأقصى المسموح به، وتبلغ حوالي 200 نانوغرام لكل لتر.
«يقول رومان موروزوف، الباحث في مختبر المشكلات البيئية للتجمعات الصناعية المتأخرة بجامعة جنوب الأورال الحكومية: لقد عدّلنا قطبًا كهربائيًا قياسيًا من الكربون الزجاجي (وهو أساس العديد من أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية) باستخدام مسحوق نانوي خاص. تخيّل سطح القطب كصحراء. القطب القياسي عبارة عن رمال ناعمة، تتدحرج عليها قطرة الزئبق ببساطة. يشبه الموصل المُعدَّل إسفنجة مسامية، مما يُضاعف مساحة سطحه الفعّالة ثلاث مرات. أضفنا عمدًا عنصر البراسيوديميوم (Pr) إلى بنية الأكسيد. يُحدث هذا العنصر "فراغات" في الشبكة البلورية - فراغات تنقصها ذرات الأكسجين. تعمل هذه الفراغات كمصائد، تجذب أيونات الزئبق بنشاط. عندما يدخل أيونٌ ما إلى مثل هذه المصيدة، يسهل عليه التفاعل والاختزال إلى زئبق فلزي. مما يجعل الجهاز يكشف عن ذلك».
يُعدّ تلوث المياه بالزئبق مشكلة ملحة على مستوى العالم. إذ يمكن لهذا المعدن أن يتراكم في الكائنات الحية ويسبب أمراضًا خطيرة، مثل مرض ميناماتا في اليابان، الناجم عن تصريفات الزئبق الصناعية. مع ذلك، يُعدّ الكشف عن الزئبق في مياه الشرب أو التربة أو المنتجات الغذائية (مثل الشاي والقهوة) أمرًا بالغ الصعوبة. فالحد الأقصى المسموح به من قِبل منظمة الصحة العالمية منخفض للغاية، إذ يبلغ
001 ملغم/لتر فقط. ويعمل العلماء في جميع أنحاء العالم على حلّ هذه المشكلة. وقد أظهرت طريقة طوّرها كيميائيون من تشيليابينسك نتائج مبهرة، حيث يكشف المستشعر عن الزئبق بدقة عالية ضمن نطاق تركيز يتراوح بين 1 و5 نانومول (نانومول). وكان حدّ الكشف 0.15 نانومول فقط، ما يسمح بالكشف حتى عن آثار ضئيلة من هذا السم. وحتى في وجود أيونات أخرى "منافسة" (كالرصاص والنحاس والحديد) ومواد عضوية (كاليوريا والفينول)، ظلّ المستشعر دقيقًا وموثوقًا في تحديد الزئبق. اختبر العلماء الجهاز في ظروف واقعية بإضافة جرعات مجهرية من الزئبق إلى عينات من ماء الصنبور والتربة ومستخلصات الشاي والقهوة. وفي جميع الحالات، أظهر الجهاز دقة عالية (تراوحت معدلات الاسترداد من % 85 إلى %95).
إلى جانب الدقة، يُقدّم تطوير تشيليابينسك ميزتين رئيسيتين أخريين: سرعة التحليل وسهولة الاستخدام. فعلى عكس الطرق التقليدية التي تتطلب معدات معقدة وباهظة الثمن (مثل مطياف الانبعاث الذري أو أجهزة الكروماتوغرافيا، والتي قد تصل تكلفتها إلى عشرات الملايين من الروبلات)، تستخدم الطريقة الجديدة جهازًا صغير الحجم.
أُجريت الدراسات على جهاز قياس الجهد الثابت الذي تبلغ تكلفته 1.5 مليون روبل. وتُجرى حاليًا تجارب لتحديد محتوى الزئبق باستخدام مستشعر محمول، تبلغ تكلفته حوالي 300 ألف روبل، ويمكن ربطه بجهاز كمبيوتر محمول عادي أو حتى هاتف ذكي. القطب الكهربائي نفسه قابل للاستخدام لمرة واحدة، لكن إنتاجه لا يتطلب سوى أقل من ملليغرام واحد من المعادن الأرضية النادرة، مما يجعل هذه التقنية اقتصادية.
«علّق المطور قائلاً: على الرغم من أن المكونات الأولية - الأقطاب الكهربائية الأساسية والجهاز المحمول - تُصنّع في تايوان، إلا أن إنشاء خط إنتاج لمثل هذه الأنظمة في روسيا لن يكون صعبًا. أما بالنسبة للمعادن الأرضية النادرة، فإن طريقتنا تتطلب كمية ضئيلة جدًا منها، بحيث لا يؤثر ذلك على التكلفة أو التوافر».
بحسب الباحثين، قد تكون الهيئات البيئية عملاء ومستخدمين محتملين لهذا التطوير. سيوفر جهاز التحليل المحمول وقتًا ومالًا كبيرين في الاختبارات، مما يسمح بنشره بسرعة في مواقع التلوث المحتملة والحصول على نتائج موثوقة ميدانيًا. وباستخدام هذه الطريقة الجديدة، سيتمكن منتجو الشاي والقهوة والمأكولات البحرية من اختبار المواد الخام للكشف عن الزئبق بسرعة. كما يتمتع هذا الاختراع بإمكانات واعدة في التشخيص الطبي: فمن خلال تكييف المادة مع مؤشرات حيوية أخرى، يمكن ابتكار مجسات لتحليل البول أو العرق. وبالطبع، يمكن استخدام الطريقة التي طورها كيميائيو تشيليابينسك لمراقبة مياه الصرف الصحي من المصانع (وخاصة المصانع الكيميائية والتعدينية والمدابغ) في الوقت الفعلي.
نُشرت النتائج في المجلة الدولية «الغرويات والأسطح أ: الجوانب الفيزيائية - الكيميائية والهندسية».