برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۴/۰۱ تا ۱۳۹۸/۰۴/۰۷

آمار مقاله
  • بازدید کل ۶۱۲
  • بازدید این ماه ۶۳
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۹۲
  • قبول شدگان ۷۳
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۸
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

طرح درس

منابع دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

کاربرد نانوحسگر‌ها در تشخیص آلاینده‎های آب (2)

تصفیه آب با بهره‌گیری از ذرات نانومتری مقرون‌به‌صرفه بوده و توانایی غلبه بر بسیاری از چالش‌های موجود در تصفیه آب را دارد. نانوحسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که از حساسیت فوق‌العاده‌ای برخوردار بوده و قابلیت عملکرد انتخابی دارند. از نانوحسگرها برای تشخیص و شناسایی فلزات سنگین مانند سرب، روی، کادمیوم و غیره، پایش pH آب، تعیین مقدار عناصر موجود در آب، کنترل بو و به‌طور کلی، بررسی کیفیت آب استفاده می‌شود. در این مقاله، به معرفی کاربرد حسگرها و نانوحسگرها در تصفیه آب پرداخته شده است. انواع روش‌های ساخت نانوحسگرهای مورد استفاده در تصفیه آب و نیز شناسایی فلزات سنگین موجود در آب با ساختارهای نانوکامپوزیتی هسته-پوسته و نانوذرات (نانوحسگرها) به تفصیل  مطرح خواهد شد. 

1- مقدمه

در سال‌های اخیر، آلودگی‌های زیست‌محیطی ناشی از ورود یون‌های فلزات سنگین و سایر عناصر سمی به محیط‌زیست، به یک معضل مهم تبدیل شده است. در میان آلودگی‌های زیست‌محیطی، آلودگی آب تهدید بسیار جدی‌تری برای سلامت انسان به‌شمار می‌رود. امنیت آب با ورود گستره وسیعی از آلاینده‌های شیمیایی تولید شده توسط صنایع مختلف و کشاورزی مانند هیدروکربن‌ها، گازهای معدنی و به‌ویژه فلزات سمی مانند جیوه، کروم، کادمیوم، آرسنیک، سرب و غیره به خطر افتاده است. این فلزات سمی آسیب‌های طولانی‌مدت به سیستم‌های زیستی وارد کرده و قادر به ایجاد اختلال در مسایل زیستی حتی در حد سلولی را دارند. تخلیه بدون کنترل و پایش نخاله، استفاده از علف‌کش‌های کشاورزی، آفت‌کش‌ها، حشره‌کش‌ها و دفع پساب‌ها سهم بزرگی در این آلودگی‌ها دارند. امکان استفاده مستقیم از آب‌های زیرزمینی موجود در بسیاری از بخش‌های کره‌ زمین به‌دلیل غلظت بالای نمک و آلودگی‌های خطرناک موجود در آن‌ها، وجود ندارد. منشأ این آلودگی‌های خطرناک، صنعتی‌شدن کشورهای مختلف بدون کنترل مناسب و کافی روی پسماندهای معدنی است که باعث ورود پساب‌ها و نخاله‌های ناخواسته به خاک و آب شده است. عامل مهم دیگر، افزایش روزافزون جمعیت جهان و تغییرات آب‌وهوا است که معضل آلودگی آب را پیچیده‌تر کرده و مشکلات زیادی را برای حذف این آلودگی‌ها به‌وجود آورده است. بنابراین، برای استفاده از آب‌های زیرمینی نامناسب برای مصارف آشامیدنی، نیاز به عملیات تصفیه با استفاده از فناوری‌های نوین با بازده بالا وجود دارد. نانوفناوری تمام ویژگی‌های مورد نیاز برای استفاده در فرآیند تصفیه آب را داشته و به‌عنوان گزینه‌ای آینده‌دار برای حل بسیاری از مشکلات موجود در فرآیند تصفیه و خالص‌سازی آب شناخته شده است. کاربردهای زیست‌محیطی فناوری نانو به سه گروه کلی شامل (1) تولید محصولات پایدار و دوستدار محیط‌زیست مانند شیمی تر، (2) تصفیه و رفع مواد آلوده با گونه‌های سمی و (3) تولید حسگرها و آشکارسازهای حافظ محیط‌زیست، تقسیم می‌شوند.

نانومواد به‌دلیل دارا‌بودن خواصی همچون سطح ویژه بالا برای جذب، فعالیت فوتوکاتالیستی بالا، خواص ضدمیکروبی برای گندزدایی و سایر خواص نوری و الکترونی منحصربه‌فرد، به‌عنوان حسگر برای کنترل کیفیت آب به‌کار می‌روند. تاکنون، چندین روش برای شناسایی فلزات سنگین در آب پیشنهاد شده است، اما هیچ‌یک از آن‌ها به‌طور کامل توانایی شناسایی یون فلزات سنگین و عوامل بیماری‌زای میکروبی یا آلی را ندارند. بنابراین، نیاز مبرم به توسعه حسگرهای جدید و پیشرفته برای شناسایی آلاینده‌های زیستی و شیمیایی با غلظت‌های بسیار پایین در آب وجود دارد. حسگر نوعی مبدل انرژی است که از توانایی تشخیص برخی خواص و تغییرات مرتبط با محیط اطراف خود برخوردار است. نتایج تغییرات شناسایی‌شده توسط حسگرها به‌صورت یک سیگنال (الکتریکی یا نوری) نمایش داده می‌شود. حسگرها انواع مختلفی داشته و کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های گوناگون دارند.  

 

2- نانوحسگرها

نانوحسگرها به حسگرهای شیمیایی، فیزیکی یا زیستی در ابعاد نانو اطلاق می‌شود که توانایی تشخیص تغییرات ایجاد‌شده در مقیاس نانو با دقت و حساسیت بالا را دارند. بنابراین، مهم‌ترین ویژگی نانوحسگرها، حساسیت و قدرت تشخیص بسیار بالای آن‌هاست. از نانوذرات مختلف مانند نانولوله‌های کربنی، نانوذرات طلا، نقاط کوانتومی، نانوذرات مغناطیسی و نانوکامپوزیت‌های با ساختار هسته-پوسته، به‌عنوان نانوحسگر استفاده می‌شود. امروزه استفاده از نانوحسگرها برای کنترل و شناسایی آلاینده‌های آب بسیار مورد توجه قرار گرفته‌ است. از کاربردهای نانوحسگرها می‌توان به تعیین مقدار نیترات و فسفات در آب، تعیین مقدار اکسیژن محلول (Dissolved Oxygen; DO) در آب، پایش pH، تعیین مقدار عناصر سنگین در آب، اندازه‌گیری و تشخیص آفت‌کش‌ها و حشره‌کش‌ها، پایش مقدار آلودگی‌های میکروبی و غیره اشاره کرد. به‌عنوان مثال، از حسگرهای گازی پایه دی‌اکسید قلع (SnO2) برای شناسایی ترکیباتی مانند H2S، NO2، CO، NO و O3 حتی در غلظت‌های بسیار پایین استفاده می‌شود. حسگرهای شیمیایی و فلورسنت مبتنی بر نانوذرات طلا برای تشخیص جیوه دوظرفیتی و آفت‌کش‌های ارگانوفسفاته (Organophosphate pesticides) موجود در محلول‌های آبی به‌کار می‌روند. از حسگر نانولوله‌کربنی تک‌جداره به‌عنوان حسگر نوری برای تشخیص تولوئن و سموم موجود در آب بهره گرفته می‌شود. علاوه بر کاربردهای مرتبط با تصفیه آب، اخیراً از نانوحسگرهای ساخته‌شده از نانوذرات مغناطیسی برای شناسایی مکان ذخایر نفتی استفاده شده است. تصویر و شمایی از نانوحسگر تریبوالکتریک ساخته‌شده برای کنترل pH آب در شکل 1 نشان داده شده است.

 

شکل 1- (الف) شماتیک و (ب) تصویری از نانوحسگر تریبوالکتریک ساخته‌شده برای کنترل pH آب.

 

مطالعات بیانگر استفاده موفقیت‌آمیز از نانوحسگرها در تشخیص گازها، آلاینده‌ها و عوامل بیماری‌زا در زمینه‌های مختلف است. با این وجود، تاکنون از نانوحسگرها در زمینه پرورش آبزیان استفاده چندانی نشده است. استفاده از نانوحسگرها در پرورش آبزیان امکان تشخیص سریع و زودهنگام متابولیت‌ها مانند آمونیا، نیتریت، سولفیت و همچنین، عوامل بیماری‌زا مانند باکتری‌ها و ویروس‌ها را فراهم می‌سازد که این موضوع باعث حفظ سلامت محیط‌زیست می‌شود.          

معمولاً از خواص نوری حسگرهای مبتنی بر نانوذرات، برای شناسایی آلودگی‌های موجود در آب استفاده می‌شود. به‌عنوان مثال، حسگرهای نانوکامپوزیت نقره یک گزینه مناسب برای شناسایی یون‌های نیترات در آب هستند. دلیل این موضوع، سطح ویژه بالای آن‌ها و حضور نانوذرات نقره است. برای ساخت این حسگر نانوکامپوزیتی، ابتدا نانوذرات نقره در زمینه پلی‌متاکریلات اسید قرار گرفته و سپس تحت تابش پرتو فرابنفش قرار می‌گیرد. همچنین، به‌دلیل بازده بسیار بالای حسگرهای نانوکامپوزیت نقره نسبت به حسگرهای الکتروشیمیایی، تولید آن‌ها صرفه اقتصادی دارد. یون‌های نیترات موجود در آب یکی از عوامل اصلی ایجاد سرطان و سایر بیماری‌ها بوده و حلالیت بسیار زیادی در آب دارند. شمایی از نحوه تولید نانوکامپوزیت نانوذرات نقره/ پلی‌متاکریلات اسید مورد استفاده در شناسایی یون‌های نیترات در شکل 2 نشان داده شده است. 

 

شکل 2- شمایی از نحوه تولید نانوکامپوزیت نانوذرات نقره/ پلی‌متاکریلات اسید مورد استفاده در شناسایی یون‌های نیترات.

 

نانوحسگرهای ساخته‌شده از الکترود پلاتین نانومتخلخل رسوب‌دهی‌شده روی سیلیکون، برای کنترل مقدار اکسیژن محلول در آب مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نانوحسگرها از چهار لایه مختلف تشکیل شده است: (1) الکترودها شامل یک الکترود کار پلاتین نانومتخلخل، یک الکترود مخالف پلاتین صفحه‌ای و یک الکترود نقره/کلرید نقره مرجع؛ (2) مخزن الکترولیت پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (poly(dimethylsiloxane))؛ (3) فیلم پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان به‌عنوان غشای نفوذ‌دهنده گاز و (4) محفظه پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان برای ذخیره‌سازی اکسیژن حل‌شده. شمایی از مکانیزم واکنش این حسگر با الکترود پلاتین نانومتخلخل در شکل 3 نشان داده شده است.

 

شکل 3- شمایی از مکانیزم واکنش نانوحسگر با الکترود پلاتین نانومتخلخل.

 

از کاربردهای دیگر نانوحسگرها، پایش توزیع و کیفیت آب است. به‌دلیل اتلاف آب از لوله‌های دارای نشتی و شاه‌لوله‌ها، سازمان حفاظت از محیط‌زیست اقدام به طراحی روش‌های نوینی برای بهبود زیرساخت‌های توزیع آب با استفاده از سیستم پایش بسیار مقرون‌به‌صرفه کرده است. نمونه اولیه این لوله‌های هوشمند از آرایه‌هایی از چندین حسگر که حاوی چندین نانوحسگر برای کنترل جریان و کیفیت آب هستند، ساخته شد. این نانوحسگرها امکان کنترل نرخ جریان، فشار لوله، نقاط راکد، قسمت‌های با جریان کم، نشت لوله و کیفیت آب بدون تغییر در شرایط جریان آب در زیرساخت را فراهم می‌کنند. در ادامه به معرفی روش تولید برخی از ساختار‌های نانوکامپوزیت هسته-پوسته مورد استفاده به‌عنوان نانوحسگر در شناسایی آلاینده‌های مرسوم در آب پرداخته می‌شود.

 

3- ساخت نانو‌حسگرها برای کاربردهای تصفیه آب

به‌طور کلی، نانومواد هسته-پوسته به‌صورت ترکیبی از مواد مختلف مانند مواد دی‌الکتریک، فلزات، نیمه‌رساناها و رنگ‌دانه‌ها هستند. در نانومواد هسته-پوسته، یک ماده نقش هسته و ماده دیگری نقش پوسته را ایفا می‌کند. بسته به نوع کاربرد، نانومواد هسته-پوسته می‌توانند شکل‌های مختلفی مانند نانوحلقه، نانوسیم و نانوستاره داشته باشند. نوع دیگری از نانوساختارهای هسته-پوسته نیز وجود دارد که در آن، هسته یک نانوذره بسیار کوچک فلزی با ابعاد 50-10 نانومتر مانند طلا یا نقره، و پوسته از سیلیکا تشکیل می‌شود. این نانوساختارها باعث افزایش چشم‌گیر پایداری شیمیایی کلوئیدها شده و خواص لومینسانس برخی از سیستم‌ها را بهبود می‌بخشند. بنابراین، از این نانوساختارها در شناسایی یون‌های فلزی موجود در آب استفاده می‌شود. روش سنتز نانوکامپوزیت‌های با ساختار هسته-پوسته نقره-سیلیکا (SiO2@Ag Core-shell Nanocomposites)، طلا-سیلیکا (SiO2@Au Core-shell Nanocomposites) و نانولوله‌های کربنی تک‌جداره به‌کار‌رفته در فرآیند تصفیه آب ممطرح خواهد شد.  

  

1-3- نانوکامپوزیت با ساختار هسته-پوسته نقره-سیلیکا

سنتز این نانوکامپوزیت‌ها شامل دو مرحله است. ابتدا ذرات سیلیکا با روش استوبر (Stober method) سنتز شده و سپس ذرات نقره روی آن‌ها پوشش داده می‌شوند. مزیت این روش، حضور بارهای غیرهم‌نام روی سطح ذرات سیلیکا و یون‌های نقره است. بنابراین، نانوذرات نقره توسط جاذبه الکترواستاتیک روی سطح ذرات سیلیکا راسب می‌شوند. نیترات نقره در حضور ذرات سیلیکا و با استفاده از تری‌سدیم سیترات احیا می‌شود. ذرات تولید‌شده پس از سانتریفیوژ، با آب شسته می‌شود. سپس رنگ زرد ترسیب‌یافته، مجدداً در آب پخش می‌شود. ضخامت این نانوساختارها با تکرار مرحله دوم فرآیند، افزایش می‌یابد. همچنین، امکان کنترل ضخامت پوشش با تغییر شرایط واکنش مانند مقدار ذرات سیلیکای افزوده‌شده وجود دارد.

 

2-3- نانوکامپوزیت با ساختار هسته-پوسته طلا-سیلیکا

برای آماده‌سازی این ذرات، ابتدا ذرات سیلیکا با استفاده از 3-آمینوپروپیل‌تری‌اتوکسی‌سیلان (APTES) عامل‌دار می‌شوند. مولکول‌های APTES در یک انتهای خود حاوی OH، و در انتهای دیگر خود دارای NH2 هستند. بنابراین، این مولکول‌ها توانایی اتصال به سیلیکا و طلا به‌ترتیب از طریق اتم‌های اکسیژن و نیتروژن را دارند. محلول حاصل به‌مدت 4 ساعت، در دمای 65 درجه‌سانتی‌گراد به‌شدت هم‌زده شده و سپس تحت سانتریفیوژ قرار می‌گیرد. رسوب حاصل، با آب شسته می‌شود. در مرحله بعدی، محلول طلا، سدیم‌هیدروکسید و ذرات سیلیکا عامل‌دار موجود در آب به‌مدت 10 دقیقه در دمای 75 درجه‌ سانتی‌گراد هم‌زده شده و دانه‌های طلا در ذرات سیلیکا تشکیل می‌شوند. در نهایت، محلول نهایی تحت سانتریفیوژ قرار گرفته، با آب شسته شده و مجددا در آب پخش می‌شود.

 

3-3- نانولوله‌های کربنی تک‌جداره

حسگرهای حالت جامد متداول مورد استفاده برای شناسایی NO2 و NH3 معمولاً در دماهای بالاتر از 400 درجه سانتی‌گراد عمل کرده و از پلیمرها به‌دلیل حساسیت محدودشان استفاده چندانی نمی‌شود. از طرف دیگر، حسگرهای ساخته‌شده با نانولوله‌های کربنی تک‌جداره از حساسیت بالا و عکس‌العمل سریع در دمای اتاق برخوردار هستند. همچنین، این دسته از نانومواد بسته به شعاع وکایرالیتی (chirality) خود، می‌توانند فلزی یا نیمه‌رسانا باشند.

برای تولید نانوحسگرها بر پایه نانولوله کربنی تک‌جداره، نانولوله‌های کربنی تک‌جداره با قطر 4 نانومتر در حلال‌های مختلف مانند استون، کلروفرم و دی‌متیل‌فرم‌آمید پخش می‌شود. بهترین حلال برای پخش یکنواخت نانولوله‌های کربنی تک‌جداره، دی‌متیل‌فرم‌آمید است. قبل از پوشش‌دهی نانولوله‌های کربنی تک‌جداره روی صفحات شیشه‌ای، یک مرحله پیش‌عملیات روی صفحات شیشه‌ای توسط APTES انجام می‌گیرد تا از جدایش نانولوله‌ها از صفحات شیشه‌ای جلوگیری به‌عمل آید. طی این پیش‌عملیات، صفحات شیشه‌ای با آب و استون شسته شده و به‌مدت 2 ساعت در محلول 2% APTES غوطه‌ور شده و در نهایت، در دمای اتاق خشک می‌شوند. برای پوشش‌دهی نانولوله‌های کربنی تک‌جداره از سوسپانسون حاوی این نانولوله‌ها روی اسلایدهای شیشه‌ای، از روش‌هایی مانند سل-ژل استفاده می‌شود.     

   

4- شناسایی فلزات سنگین موجود در آب با ساختارهای نانوکامپوزیتی هسته-پوسته و نانوذرات (نانوحسگرها)

حضور برخی یون‌های فلزی مانند روی (+Zn2) برای حفظ عملکرد طبیعی سلول‌ها ضروری است؛ در حالی که یون‌های فلزات سنگین مانند کادمیوم، جیوه و سرب اثرات مخربی روی سلامت انسان داشته و باعث بروز بیماری‌های مختلف مانند سرطان می‌شوند. در این قسمت، به کاربرد نانوحسگرهای سنتز‌شده از نانوذرات فلزی در تشخیص این دسته از آلاینده‌ها پرداخته می‌شود. نحوه حذف کامل و مؤثر فلزات نامطلوب از سیستم آبی، یک چالش بسیار بزرگ است. فلزات سنگین سمی موجود در پساب‌های صنعتی شامل آهن، مس، نیکل، جیوه، کادمیوم، سرب و کروم است.

نانوذرات فلزی خواص جذب بسیار قوی و مطلوبی در ناحیه فرابنفش-مرئی طیف الکترومغناطیس دارند. دلیل این موضوع، برهمکنش‌های الکترونی تجمعی بین اتم‌های فلزی و الکترون‌هاست. در مورد نانوذرات طلا و نقره، تشدید پلاسمون سطحی یکی از جذاب‌ترین خواص آن‌ها به‌شمار می‌رود، چرا که باعث ایجاد خواص نوری منحصربه‌فرد در محدوده طیف مرئی نور می‌شود. پلاسمون، نوسانات تجمعی الکترون‌های لایه رسانش فلز هنگام عبور الکترون‌های پرانرژی است. اخیراً، تمایل به استفاده از مواد کامپوزیتی شامل نانوذرات فلزی و پلیمرها به‌صورت شبکه‌‌ای افزایش چشم‌گیری یافته است. با اضافه‌شدن نانوذرات فلزی به پلیمر، خواص جدید و منحصربه‌فردی ایجاد شده و باعث گسترش چشم‌گیر محدوده خواص می‌شود.

نانوکامپوزیت با ساختار هسته-پوسته طلا-سیلیکا باند تشدید پلاسمون سطحی پیشرفته‌تری نسبت به نانوذرات طلا دارد؛ بنابراین، از حساسیت بیشتری برای شناسایی مقادیر بسیار کم فلزات سنگین موجود در آب آشامیدنی برخوردار است. نانوکامپوزیت با ساختار هسته-پوسته طلا-سیلیکا هنگام برخورد یون‌های فلزات سنگین تجمع یافته و باعث تشخیص وجود این آلاینده‌ها می‌شوند. تصاویر TEM و SEM از نانوکامپوزیت‌های با ساختار هسته-پوسته طلا-سیلیکا و ذرات هسته-پوسته تجمع‌یافته با افزوده‌شدن 0.01 ppm از یون‌های کادمیوم (+Cd2) در شکل 4 نشان داده شده است.

 

شکل 4- (الف) تصویر TEM از نانوکامپوزیت‌های با ساختار هسته-پوسته طلا-سیلیکا و (ب) تصویر SEM از ذرات هسته-پوسته تجمع‌یافته با افزوده‌شدن 0.01 ppm از یون‌های کادمیوم (+Cd2).

 

همچنین، با حضور این یون‌ها تغییراتی در مکان باند جذب پلاسمون به‌وجود می‌آید که دلیل آن، جذب شیمیایی این یون‌ها روی سطح نانوکامپوزیت حاوی طلا است. تغییرات به‌وجود‌آمده در پیک‌های تشدید پلاسمون سطحی نانو‌حسگرها با ورود یون‌های کادمیوم در شکل 5 نشان داده شده است.

 

شکل 5- تغییرات به‌وجود‌آمده در پیک‌های  تشدید پلاسمون سطحی نانو‌حسگرها با ورود یون‌های کادمیوم: (1) طلا، (2) طلا-سیلیکا، (3) طلا-سیلیکا 0.1+ ppm یون کادمیوم، (4) طلا-سیلیکا 1+ ppm یون کادمیوم، (5) طلا-سیلیکا 2ppm+ یون کادمیوم، (6) طلا-سیلیکا 5+ ppm یون کادمیوم، (7) طلا-سیلیکا 10+ ppm یون کادمیوم. 

 

نتایج مشابه با نتایج حاصل برای یون کادمیوم، در هنگام حضور یون‌های روی و سرب در آب نیز به دست آمده است. به عبارت دیگر، با حضور این یون‌ها یک انتقال جزئی در باندها به‌سمت طول‌موج‌های بلندتر به‌وجود خواهد آمد. سوسپانسیون حاوی نانوذرات طلا به‌دلیل جذب پلاسمون سطحی، رنگ قرمز شدیدی از خود نشان می‌دهند. هنگام وجود یون‌های روی و سرب تغییری در رنگ قرمز آن ایجاد نمی‌شود. تغییر رنگ تنها زمانی رخ می‌دهد که الکترون‌ها از یون‌های جذب‌شده به ذرات فلزی منتقل شوند. این پدیده باعث افزایش چگالی الکترون‌های آزاد موجود در نوار رسانش فلز شده و فرکانس پلاسما فلز را افزایش می‌دهد.

طیف‌سنجی رامان و طیف‌سنجی رامان ارتقایافته سطحی ابزارهای دیگری برای بررسی تغییرات ایجاد‌شده در نانوکامپوزیت با ساختار هسته-پوسته طلا-سیلیکا هنگام برهمکنش با یون کادمیوم هستند. با حضور یون‌های کادمیوم در حد ppm، شدت پیک طلا در طیف رامان کاهش می‌یابد. همچنین، حسگرهای ساخته‌شده از نانوسیم‌های طلا توانایی شناسایی یون جیوه موجود در آب تا حد ppb را دارند.        

 

نتیجه‌گیری

نانوحسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که از حساسیت فوق‌العاده‌ای برخوردار بوده و قابلیت عملکرد انتخابی دارند. نانومواد به‌دلیل دارا بودن خواصی همچون سطح ویژه بالا برای جذب، فعالیت فوتوکاتالیستی بالا، خواص ضدمیکروبی برای گندزدایی و سایر خواص نوری و الکترونی منحصربه‌فرد، به‌عنوان حسگر برای کنترل کیفیت آب به‌کار می‌روند. مهم‌ترین ویژگی نانوحسگرها، حساسیت و قدرت تشخیص بسیار بالای آن‌ها است. از نانوذرات مختلف مانند نانولوله‌های کربنی، نانوذرات طلا، نقاط کوانتومی، نانوذرات مغناطیسی و نانوکامپوزیت‌های با ساختار هسته-پوسته، به‌عنوان نانوحسگر استفاده می‌شود. از جمله مهم‌ترین کاربردهای نانوحسگرها می‌توان به تعیین مقدار نیترات و فسفات در آب، تعیین مقدار اکسیژن حل‌شده در آب، پایش pH، تعیین مقدار عناصر سنگین در آب، اندازه‌گیری و تشخیص آفت‌کش‌ها و حشره‌کش‌ها، پایش مقدار آلودگی‌های میکروبی و غیره اشاره کرد. از خواص نوری حسگرهای مبتنی بر نانوذرات، برای شناسایی آلودگی‌های موجود در آب استفاده می‌شود. دیگر کاربرد نانوحسگرها، پایش توزیع و کیفیت آب است. ‌دلیل این موضوع، اتلاف آب از لوله‌های دارای نشتی و شاه‌لوله‌ها است. در اینجا، روش سنتز نانوکامپوزیت‌های با ساختار هسته-پوسته نقره-سیلیکا، طلا-سیلیکا و نانولوله‌های کربنی تک‌جداره مورد استفاده در فرآیند تصفیه آب به‌طور کامل مطرح شد. نانوذرات فلزی مانند طلا و نقره خواص جذبی بسیار قوی و مطلوبی در ناحیه فرابنفش-مرئی طیف الکترومغناطیس دارند که به برهمکنش‌های الکترونی تجمعی بین اتم‌های فلزی و الکترون‌ها باز می‌گردد. نانوکامپوزیت با ساختار هسته-پوسته طلا-سیلیکا باند تشدید پلاسمون سطحی پیشرفته‌تری نسبت به نانوذرات طلا داشته و لذا از حساسیت بیشتری برای شناسایی مقادیر بسیار کم فلزات سنگین موجود در آب آشامیدنی برخوردار است. نانوکامپوزیت با ساختار هسته-پوسته طلا-سیلیکا هنگام برخورد یون‌های فلزات سنگین تجمع یافته و باعث تشخیص وجود این آلاینده‌ها می‌شوند.

 

منابـــع و مراجــــع

Tiwari, Ashutosh, and Anthony PF Turner, eds. Biosensors nanotechnology. John Wiley & Sons, 2014.

Wu, Ying, Yuanjie Su, Junjie Bai, Guang Zhu, Xiaoyun Zhang, Zhanolin Li, Yi Xiang, and Jingliang Shi. "A self-powered triboelectric nanosensor for PH detection." Journal of Nanomaterials 2016 (2016): 1.

Bonyani, M., A. Mirzaei, S. G. Leonardi, and G. Neri. "Silver nanoparticles/polymethacrylic acid (AgNPs/PMA) hybrid nanocomposites-modified electrodes for the electrochemical detection of nitrate ions." Measurement 84 (2016): 83-90.

Lee, Yi Jae, and Jae Yeong Park. "A Highly Miniaturized Dissolved Oxygen Sensor Using a Nanoporous Platinum Electrode Electroplated on Silicon." Journal of Korean physical society 58 (2011): 1505-1510.

Dahman, Yaser. Nanotechnology and Functional Materials for Engineers. Elsevier, 2017.

Zhuiykov, Serge. "Solid-state sensors monitoring parameters of water quality for the next generation of wireless sensor networks." Sensors and Actuators B: Chemical 161, no. 1 (2012): 1-20.

Xu, Bin, and Wei-De Zhang. "Modification of vertically aligned carbon nanotubes with RuO2 for a solid-state pH sensor." Electrochimica Acta 55, no. 8 (2010): 2859-2864.

Hou, Yang, Xin‐Yong Li, Qi‐Dong Zhao, Xie Quan, and Guo‐Hua Chen. "Electrochemical method for synthesis of a ZnFe2O4/TiO2 composite nanotube array modified electrode with enhanced photoelectrochemical activity." Advanced Functional Materials 20, no. 13 (2010): 2165-2174.

Vunain, Ephraim, and A. K. Mishra. "Nanosensors as Tools for Water Resources." Nanotechnology for Sustainable Water Resources (2018): 177-198.

Gupta, Vinod Kumar, Hassan Karimi-Maleh, and Roya Sadegh. "Simultaneous determination of hydroxylamine, phenol and sulfite in water and waste water samples using a voltammetric nanosensor." Int. J. Electrochem. Sci 10 (2015): 303-316.