Графиновый сенсор свинца устанавливает новый рекорд чувствительности для безопасности воды

University of California, San Diego

Экспериментальная установка, состоящая из одного сенсорного чипа, детектирующего ионы свинца в капле воды. (Изображение: Courtesy of Bandaru Lab/UC San Diego)

Рекордная чувствительность

Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего разработали ультрачувствительный сенсор на основе графена, способный детектировать экстремально низкие концентрации ионов свинца в воде. Устройство достигает рекорда предела детектирования свинца до фемтомолярного диапазона, что в миллион раз более чувствительно, чем предыдущие сенсорные технологии.

«С экстремально высокой чувствительностью нашего устройства мы в конечном счете надеемся детектировать даже присутствие одного иона свинца в разумном объеме воды», — сказал Прабхакар Бандару, профессор департамента механической и аэрокосмической инженерии в инженерной школе Якобса UC San Diego. «Влияние свинца — серьезная проблема здоровья, и указывалось, что концентрация свинца на уровне частей на миллиард в питьевой воде может привести к пагубным результатам, таким как задержка роста и развития человека».

Конструкция сенсора

Устройство в этом исследовании состоит из однослойного графена, смонтированного на кремниевую подложку. Графен с его удивительной проводимостью и отношением поверхности к объему предлагает идеальную платформу для сенсорных приложений. Исследователи усилили сенсорные способности графенового слоя путем присоединения линкерной молекулы к его поверхности. Этот линкер служит якорем для ионного рецептора и, в конечном счете, ионов свинца.

Одной из ключевых особенностей этой работы было создание сенсора, высокоспецифичного для детектирования ионов свинца. Исследователи использовали аптамер — короткую одноклеточную цепь ДНК или РНК — в качестве ионного рецептора. Эти рецепторные молекулы известны своей врожденной селективностью к конкретным ионам. Исследователи дополнительно усилили аффинность рецептора к ионам свинца, адаптируя его ДНК или РНК последовательность. Это обеспечило, что сенсор срабатывает только при связывании с ионами свинца.

Достижение фемтомолярного предела

Достижение фемтомолярного предела детектирования стало возможным благодаря детальному изучению молекулярных событий на поверхности графенового сенсора. Исследователи использовали комбинацию экспериментальных и теоретических техник для мониторинга поэтапного адгезирования линкера к поверхности графена, за которым следовало связывание рецептора с линкером, и, наконец, присоединения ионов свинца к рецептору.

Исследователи проанализировали термодинамические параметры системы, такие как энергии связывания, изменения емкости и молекулярные конформации, и обнаружили, что они играют критические роли в оптимизации производительности сенсора. Оптимизируя каждый из этих термодинамических параметров, вместе с дизайном всей системы — от электроники и материалов до ионного рецептора — исследователи создали сенсор, способный детектировать ионы свинца с беспрецедентной чувствительностью и специфичностью.

Преимущества над существующими методами

Помимо превосходной чувствительности, новый сенсор обладает другими преимуществами перед существующими методами. Традиционные техники детектирования свинца с высокой точностью и чувствительностью часто полагаются на дорогое оборудование, что ограничивает их доступность для широкого использования. В то же время, домашние наборы, хотя более доступны, склонны быть ненадежными и демонстрировать относительно плохой предел детектирования, обычно в микромолярном диапазоне.

«Технология, которую мы разработали, направлена на преодоление проблем стоимости и надежности», — сказал Бандару. «Наша цель — в конечном счете развернуть ее в домах, учитывая ее относительную простоту изготовления».

Хотя технология сейчас находится на стадии доказательства концепции, Бандару надеется однажды внедрить ее в реальных условиях. Следующие шаги включают масштабирование производства для коммерческого использования, что потребует сотрудничества с промышленными партнерами.

Для дополнительной информации свяжитесь с Лизель Лабиос: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..