Свинцовый датчик на основе графена установил новый рекорд чувствительности в области безопасности на воде

Калифорнийский университет, Сан-Диего

Экспериментальная установка, состоящая из одного сенсорного чипа, обнаруживающего ионы свинца в капле воды. (Изображение:любезно предоставлено лабораторией Бандару/Калифорнийским университетом в Сан-Диего)

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали сверхчувствительный датчик из графена, который может обнаруживать чрезвычайно низкие концентрации ионов свинца в воде. Устройство достигает рекордного предела обнаружения свинца вплоть до фемтомолярного диапазона, что в миллион раз чувствительнее, чем предыдущие сенсорные технологии.

«Благодаря чрезвычайно высокой чувствительности нашего устройства мы в конечном итоге надеемся обнаружить даже присутствие одного иона свинца в разумном объеме воды», — сказал Прабхакар Бандару, профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической техники инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Воздействие свинца является серьезной проблемой для здоровья, и было указано, что концентрация свинца на уровне частей на миллиард в питьевой воде может привести к пагубным последствиям, таким как задержка роста и развития человека».

Устройство в этом исследовании состоит из одного слоя графена, закрепленного на кремниевой пластине. Графен с его замечательной проводимостью и соотношением поверхности к объему представляет собой идеальную платформу для сенсорных приложений. Исследователи улучшили сенсорные возможности графенового слоя, прикрепив к его поверхности линкерную молекулу. Этот линкер служит якорем для ионного рецептора и, в конечном итоге, для ионов свинца.

Одной из ключевых особенностей этой работы было обеспечение высокой специфичности датчика для обнаружения ионов свинца. В качестве ионного рецептора исследователи использовали аптамер, который представляет собой короткую одноцепочечную ДНК или РНК. Эти молекулы-рецепторы известны своей присущей им селективностью по отношению к определенным ионам. Исследователи еще больше усилили сродство связывания рецептора с ионами свинца, изменив последовательность его ДНК или РНК. Это гарантировало, что датчик будет срабатывать только при связывании ионов свинца.

Достижение фемтомолярного предела обнаружения стало возможным благодаря детальному изучению молекулярных событий, происходящих на поверхности графенового сенсора. Исследователи использовали комбинацию экспериментальных и теоретических методов для мониторинга поэтапной адгезии линкера к поверхности графена с последующим связыванием рецептора с линкером и, наконец, прикреплением ионов свинца к рецептору.

Исследователи проанализировали термодинамические параметры системы, такие как энергии связи, изменения емкости и молекулярные конформации, и обнаружили, что они играют решающую роль в оптимизации производительности датчика. Оптимизировав каждый из этих термодинамических параметров, а также конструкцию всей системы, от электроники и материалов до ионного рецептора, исследователи создали датчик, который может обнаруживать ионы свинца с беспрецедентной чувствительностью и специфичностью.

Помимо превосходной чувствительности, новый датчик обладает и другими преимуществами по сравнению с существующими методами. Традиционные методы обнаружения свинца с высокой точностью и чувствительностью часто основаны на дорогостоящем оборудовании, что ограничивает их доступность для широкого использования. Между тем, домашние наборы, хотя и более доступны, как правило, ненадежны и имеют относительно низкий предел обнаружения, обычно в пределах микромолярного диапазона.

«Технология, которую мы разработали, направлена на решение проблем стоимости и надежности», — сказал Бандару. «Наша цель состоит в том, чтобы в конечном итоге его можно было использовать в домах, учитывая его относительную простоту изготовления».

Хотя технология в настоящее время находится на стадии проверки концепции, Бандару надеется однажды реализовать ее в реальных условиях. Следующие шаги включают расширение производства для коммерческого использования, что потребует сотрудничества с отраслевыми партнерами.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Лизель Лабиос по адресу:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.