Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat en ultrakänslig sensor gjord med grafen som kan upptäcka extraordinärt låga koncentrationer av blyjoner i vatten. Enheten uppnår en rekordgräns för detektering av bly ned till femtomolarområdet, vilket är en miljon gånger känsligare än tidigare avkänningsteknologier.
"Med den extremt höga känsligheten hos vår enhet hoppas vi i slutändan att till och med upptäcka närvaron av en blyjon i en rimlig volym vatten", säger Prabhakar Bandaru, professor vid avdelningen för mekanisk och rymdteknik vid UC San Diego Jacobs Ingenjörshögskolan. "Blyexponering är ett allvarligt hälsoproblem, och det har indikerats att en blykoncentration på nivån delar per miljard i dricksvatten kan leda till skadliga resultat, såsom hämmad mänsklig tillväxt och utveckling."
Arbetet beskrivs i en artikel som nyligen publicerades i Nano Letters .
Enheten i denna studie består av ett enda lager grafen monterat på en kiselskiva. Grafen, med sin anmärkningsvärda ledningsförmåga och förhållande mellan yta och volym, erbjuder en idealisk plattform för avkänningstillämpningar. Forskarna förbättrade avkänningsförmågan hos grafenskiktet genom att fästa en länkmolekyl på dess yta. Denna länk fungerar som ankare för en jonreceptor och i slutändan blyjonerna.
En av nyckelfunktionerna i detta arbete var att göra sensorn mycket specifik för att detektera blyjoner. Forskarna använde en aptamer, som är en kort, enkel sträng av DNA eller RNA, som jonreceptor. Dessa receptormolekyler är kända för sin inneboende selektivitet mot specifika joner. Forskarna förbättrade ytterligare receptorns bindningsaffinitet för blyjoner genom att skräddarsy dess DNA- eller RNA-sekvens. Detta säkerställde att sensorn endast triggades vid bindning till blyjoner.
Att uppnå den femtomolära detektionsgränsen gjordes möjligt genom att i detalj studera de molekylära händelserna som inträffar på grafensensorns yta. Forskarna använde en kombination av experimentella och teoretiska tekniker för att övervaka länkens stegvisa vidhäftning till grafenytan, följt av bindningen av receptorn till länken, och slutligen, bindningen av blyjoner till receptorn.
Forskarna analyserade termodynamiska parametrar i systemet som bindningsenergier, förändringar i kapacitans och molekylära konformationer och fann att de spelade en avgörande roll för att optimera sensorns prestanda. Genom att optimera var och en av dessa termodynamiska parametrar, tillsammans med designen av hela systemet, från elektronik och material hela vägen ner till jonreceptorn, skapade forskarna en sensor som kan detektera blyjoner med oöverträffad känslighet och specificitet.
Förutom sin överlägsna känslighet har den nya sensorn andra fördelar jämfört med befintliga metoder. Traditionella tekniker för att detektera bly med hög noggrannhet och känslighet är ofta beroende av dyr instrumentering, vilket begränsar deras tillgänglighet för utbredd användning. Samtidigt tenderar hempaket, även om de är mer tillgängliga, att vara opålitliga och uppvisa en relativt dålig detektionsgräns, vanligtvis inom det mikromolära området.
"Tekniken som vi utvecklat syftar till att övervinna frågorna om kostnader såväl som tillförlitlighet", säger Bandaru. "Vårt mål är att den så småningom ska distribueras i hemmen, med tanke på dess relativa lätthet att tillverka."
Medan tekniken för närvarande är på proof-of-concept-stadiet, hoppas Bandaru att en dag implementera den i verkliga miljöer. Nästa steg inkluderar att skala upp produktionen för kommersiellt bruk, vilket kommer att kräva samarbete med industripartners.
Mer information: 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
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av University of California - San Diego
