Ultrafølsom blydetektor kan forbedre overvågningen af ​​vandkvaliteten betydeligt

Ingeniører ved University of California San Diego har udviklet en ultrafølsom sensor lavet med grafen, der kan registrere ekstraordinært lave koncentrationer af blyioner i vand. Enheden opnår en rekordgrænse for detektion af bly ned til femtomolarområdet, som er en million gange mere følsomt end tidligere sensorteknologier.

"Med den ekstremt høje følsomhed af vores enhed håber vi i sidste ende at detektere selv tilstedeværelsen af ​​en blyion i en rimelig mængde vand," sagde Prabhakar Bandaru, professor ved Institut for Mekanisk og Rumfartsteknik ved UC San Diego Jacobs Ingeniørskolen. "Blyeksponering er en alvorlig sundhedsmæssig bekymring, og det er blevet indikeret, at en blykoncentration på niveauet med ppm i drikkevand kan føre til skadelige resultater, såsom hæmmet menneskelig vækst og udvikling."

Værket er beskrevet i et papir, der for nylig blev offentliggjort i Nano Letters .

Enheden i denne undersøgelse består af et enkelt lag grafen monteret på en siliciumwafer. Grafen tilbyder med sin bemærkelsesværdige ledningsevne og overflade-til-volumen-forhold en ideel platform til sanseapplikationer. Forskerne forbedrede sansningsevnerne af grafenlaget ved at fastgøre et linkermolekyle til dets overflade. Denne linker tjener som anker for en ionreceptor og i sidste ende blyionerne.

En af nøglefunktionerne i dette arbejde var at gøre sensoren meget specifik til at detektere blyioner. Forskerne brugte en aptamer, som er en kort, enkelt streng af DNA eller RNA, som ionreceptor. Disse receptormolekyler er kendt for deres iboende selektivitet over for specifikke ioner. Forskerne forbedrede yderligere receptorens bindingsaffinitet for blyioner ved at skræddersy dens DNA- eller RNA-sekvens. Dette sikrede, at sensoren kun ville blive udløst ved binding til blyioner.

Opnåelsen af ​​den femtomolære detektionsgrænse blev gjort mulig ved at studere detaljeret de molekylære hændelser, der forekommer på grafensensorens overflade. Forskerne brugte en kombination af eksperimentelle og teoretiske teknikker til at overvåge den trinvise adhæsion af linkeren til grafenoverfladen, efterfulgt af bindingen af ​​receptoren til linkeren og endelig fastgørelsen af ​​blyioner til receptoren.

Forskerne analyserede termodynamiske parametre for systemet såsom bindingsenergier, ændringer i kapacitans og molekylære konformationer og fandt ud af, at de spillede en afgørende rolle i optimering af sensorens ydeevne. Ved at optimere hver af disse termodynamiske parametre, sammen med designet af hele systemet, fra elektronikken og materialerne helt ned til ionreceptoren, skabte forskerne en sensor, der kan detektere blyioner med hidtil uset følsomhed og specificitet.

Ud over sin overlegne følsomhed har den nye sensor andre fordele i forhold til eksisterende metoder. Traditionelle teknikker til at detektere bly med høj nøjagtighed og følsomhed er ofte afhængige af dyr instrumentering, hvilket begrænser deres tilgængelighed til udbredt brug. I mellemtiden har hjemmesæt, selvom de er mere tilgængelige, en tendens til at være upålidelige og udviser en relativt dårlig detektionsgrænse, typisk inden for det mikromolære område.

"Teknologien, som vi udviklede, har til formål at overvinde problemerne med omkostninger såvel som pålidelighed," sagde Bandaru. "Vores mål er, at det i sidste ende skal installeres i hjemmene, givet dets relative lette fremstilling."

Mens teknologien i øjeblikket er på proof-of-concept-stadiet, håber Bandaru en dag at implementere den i virkelige omgivelser. Næste trin omfatter opskalering af produktionen til kommerciel brug, hvilket vil nødvendiggøre samarbejde med industripartnere.

Flere oplysninger: Alex W. Lee et al., Toward the Ultimate Limit of Analyte Detection, in Graphene-Based Field-Effect Transistors, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04066

Journaloplysninger: Nano-bogstaver

Leveret af University of California - San Diego