Nyt grafen-baseret sensordesign kan forbedre fødevaresikkerheden

I USA, mere end 100 madtilbagekaldelser blev udstedt i 2017 på grund af forurening fra skadelige bakterier som f.eks. Listeria , Salmonella eller E coli . Et nyt sensordesign kunne en dag gøre det nemmere at opdage patogener i fødevarer, før produkterne kommer på supermarkedets hylder, og dermed forhindre undertiden dødelige sygdomme fra forurenet mad.

I journalen Optiske materialer Express , forskere rapporterer om et nyt design til en sensor, der samtidigt kan detektere flere stoffer, herunder farlige bakterier og andre patogener. Ud over fødevaresikkerhed, det nye design kan forbedre detektion af gasser og kemikalier til en lang række andre applikationer.

"Vores design er baseret på grafenplader, som er todimensionelle krystaller af kulstof kun et atom tykke, " sagde forskerteammedlem Bing-Gang Xiao, fra China Jiliang University. "Sensoren er ikke kun meget følsom, men kan også nemt justeres til at detektere forskellige stoffer."

Sansning med grafen

De fremragende optiske og elektroniske egenskaber af grafen gør det attraktivt for sensorer, der bruger elektromagnetiske bølger kendt som plasmoner, der forplanter sig langs overfladen af ​​et ledende materiale som reaktion på lyseksponering. Et stof kan påvises ved at måle, hvordan sensorens brydningsindeks ændres, når et stof af interesse er tæt på grafenens overflade.

Forskere har udnyttet grafens unikke egenskaber til at skabe sensorer og materialer til en række applikationer i de senere år. Sammenlignet med metaller som guld og sølv, grafen udviser stærkere plasmonbølger med længere udbredelsesafstande. Ud over, bølgelængden, ved hvilken grafen reagerer, kan ændres ved at anvende en polarisationsspænding i stedet for at genskabe hele enheden. Imidlertid, få tidligere forskningsindsatser har påvist følsomme grafensensorer, der arbejder med de infrarøde bølgelængder, der er nødvendige for at detektere bakterier og biomolekyler.

For den nye sensor, forskerne brugte teoretiske beregninger og simuleringer til at designe en række grafendiske i nanoskala, der hver indeholder et hul uden for midten. Sensoren inkluderer ion-gel- og siliciumlag, der kan bruges til at påføre en spænding for at indstille grafenens egenskaber til påvisning af forskellige stoffer.

Interaktionen mellem skiverne og deres huller skaber det, der er kendt som plasmonhybridiseringseffekten, hvilket øger enhedens følsomhed. Hullet og skiven skaber også forskellige bølgelængdetoppe, der hver især kan bruges til at detektere tilstedeværelsen af ​​forskellige stoffer samtidigt.

Simuleringer udført af forskerne ved hjælp af mellem-infrarøde bølgelængder viste, at deres nye sensorplatform ville være mere følsom over for stoffer, der findes i gasser, væsker eller faste stoffer end at bruge skiver uden huller.

Forskerne arbejder nu på at forbedre den proces, der ville blive brugt til at lave rækken af ​​nanoskala-skiver. Den nøjagtighed, hvormed disse strukturer fremstilles, vil i høj grad påvirke sensorens ydeevne.

"Vi vil også undersøge, om grafenplasmonhybridiseringseffekten kan bruges til at hjælpe med design af dual-band mid-infrarød optisk kommunikationsenhed, "sagde Xiao.