Ny sensor giver realtidsdetektion af tungmetaller, bakterie, nitrater og fosfater i vand

Vandkvalitetsovervågning foregår i øjeblikket hovedsageligt ved vandforsyningsindtag eller vandbehandlingsanlæg, i stedet for langs vandfordelingslinjer eller på brugsstedet. Dette er utilstrækkeligt, fordi der kan forekomme negative ændringer i vandkvaliteten mellem vandkilden og din vandhane. Det er vigtigt at overvåge denne vigtige naturressource for forskellige forurenende stoffer, såsom giftige tungmetalioner, inden for vanddistributions- og behandlingssystemer.

Nøjagtige og tilgængelige detektionsteknologier er nødvendige for at sikre kontinuerlig vandkvalitetskontrol og mulighed for tidlig varsling for at undgå katastrofer for offentlig sikkerhed som den igangværende Flint-vandkrise i Michigan.

Under AVS's 64. internationale symposium og udstilling, afholdes 29. okt.-nov. 3, 2017, i Tampa, Florida, Junhong Chen, fremtrædende professor i maskinteknik, materialevidenskab og teknik ved University of Wisconsin-Milwaukee, vil præsentere sit arbejde med at opfinde en grafen-baseret sensorplatform til realtid, lavpris påvisning af forskellige vandforurenende stoffer. Den nye sensor registrerer tungmetaller, bakterie, nitrater og fosfater.

"Vores teknologi imødekommer et udækket behov for realtid, lavprisovervågning af kritiske forurenende stoffer i drikkevand, " sagde Chen. "Vand spiller en vigtig rolle i den økonomiske verden, men kun 3 procent af det tilgængelige vand er drikkeligt, og med stigende efterspørgsel, behovet for sikkert drikkevand stiger."

grafen, et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et 2-D honeycomb gitter, er et lovende nanomateriale takket være dets unikke struktur og elektriske egenskaber.

"Iboende grafen er en nul-gap halvleder, der har bemærkelsesværdig høj elektronmobilitet (100 gange større end siliciums), hvilket gør det attraktivt for sensitive, højhastigheds kemiske og biologiske sensorer på grund af dens høje følsomhed over for elektroniske forstyrrelser, " han sagde.

Sensoren fungerer ved at placere grafen-baserede nanoark, der er halvledende, mellem et elektrodegab. Den elektriske ledningsevne af grafenmaterialet ændres med bindingen af ​​stoffer, kaldet analytter, til dens overflade og deres kemiske bestanddele identificeres og måles.

"Størrelsen af ​​ledningsevneændringen kan korreleres med koncentrationen af ​​analyt, og teknologien involverer også funktionalisering af grafenmaterialets overflade med specifikke prober, der kan målrette en specifik analyt, " sagde Chen.

Sensoren er baseret på en felteffekttransistor (FET)-enhed med reduceret grafenoxid (rGO) som dens sensorkanal. "Følerens funktionsprincip er, at rGO-ledningsevnen (normalt målt i modstand) ændres med bindingen af ​​kemikalier såsom tungmetaller til sonder forankret på rGO-overfladen, " sagde han. "Så tilstedeværelsen af ​​kemikalierne kan bestemmes ved at måle sensorens modstandsændring."

Ved at implementere disse realtidssensorer til at overvåge vandforurenende stoffer i vanddistributionssystemer, ifølge Chen, de kunne give tidlig advarsel om kemisk og biologisk forurening i vand, forbedring af vandsikkerheden og fordelene for folkesundheden.

"Platformteknologien kan også videreudvikles til at detektere forskellige analytter til mad og drikkevarer, såvel som til biomedicinske anvendelser, " sagde Chen.

Chen har lanceret en startup, NanoAffix Science LLC, at kommercialisere sin vandkvalitetssensorteknologi. Med finansiering fra National Science Foundation og i samarbejde med flere vandselskaber, de har allerede udviklet en prototype af en håndholdt enhed til hurtig, lavpris påvisning af blyioner i drikkevand. "Vi forfiner nu prototypen for at gøre den til et kommercielt produkt i den nærmeste fremtid, " sagde Chen.