基于石墨烯的铅传感器为水安全创造了新的灵敏度记录
加州大学圣地亚哥分校
实验装置由一个传感器芯片组成，用于检测一滴水中的铅离子。 （图片：班达鲁实验室/加州大学圣地亚哥分校提供）加州大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种由石墨烯制成的超灵敏传感器，可以检测水中浓度极低的铅离子。该器件实现了低至飞摩尔范围的铅检测限的记录，比以前的传感技术灵敏一百万倍。
加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院机械与航空航天工程系教授普拉巴卡尔·班达鲁 (Prabhakar Bandaru) 表示：“凭借我们设备的极高灵敏度，我们最终希望能够检测到合理体积的水中是否存在一种铅离子。” “铅暴露是一个严重的健康问题，有研究表明，饮用水中铅浓度达到十亿分之几的水平可能会导致有害后果，例如人类生长和发育迟缓。”
本研究中的设备由安装在硅晶片上的单层石墨烯组成。石墨烯具有卓越的导电性和表面积与体积比，为传感应用提供了理想的平台。研究人员通过将连接分子附着到其表面来增强石墨烯层的传感能力。该连接体充当离子受体的锚点，并最终成为铅离子。
这项工作的关键特征之一是使传感器对于检测铅离子具有高度特异性。研究人员使用适体（一种短的单链 DNA 或 RNA）作为离子受体。这些受体分子以其对特定离子的固有选择性而闻名。研究人员通过定制受体的 DNA 或 RNA 序列，进一步增强了受体对铅离子的结合亲和力。这确保了传感器仅在与铅离子结合时才会被触发。
通过详细研究石墨烯传感器表面发生的分子事件，实现飞摩尔检测限。研究人员采用实验和理论相结合的技术来监测连接体与石墨烯表面的逐步粘附，然后是受体与连接体的结合，最后是铅离子与受体的附着。
研究人员分析了系统的热力学参数，例如结合能、电容变化和分子构象，发现它们在优化传感器性能方面发挥着关键作用。通过优化每一个热力学参数，以及整个系统的设计，从电子和材料一直到离子受体，研究人员创造了一种能够以前所未有的灵敏度和特异性检测铅离子的传感器。
除了卓越的灵敏度之外，新型传感器还具有优于现有方法的其他优点。高精度和高灵敏度检测铅的传统技术通常依赖于昂贵的仪器，这限制了其广泛使用。与此同时，家用试剂盒虽然更容易获得，但往往不可靠，并且检测限相对较差，通常在微摩尔范围内。
“我们开发的技术旨在克服成本和可靠性问题，”班达鲁说。 “鉴于其制造相对容易，我们的目标是最终将其部署在家庭中。”
虽然该技术目前处于概念验证阶段，但班达鲁希望有一天能够在现实环境中实施它。下一步包括扩大商业用途的生产规模，这需要与行业合作伙伴进行合作。
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