Monitoring van de waterkwaliteit vindt momenteel voornamelijk plaats bij watertoevoerinlaten of waterzuiveringsinstallaties, in plaats van langs waterdistributielijnen of op het punt van gebruik. Dit is niet voldoende omdat er negatieve veranderingen kunnen optreden in de waterkwaliteit tussen de waterbron en uw kraan. Het is essentieel om deze belangrijke natuurlijke hulpbron te controleren op verschillende verontreinigingen, zoals giftige zware metaalionen, binnen waterdistributie- en behandelingssystemen.

Nauwkeurige en toegankelijke detectietechnologieën zijn nodig om te zorgen voor continue waterkwaliteitscontrole en vroegtijdige waarschuwingscapaciteiten om rampen voor de openbare veiligheid, zoals de aanhoudende Flint-watercrisis in Michigan, te voorkomen.

Tijdens het 64e Internationale Symposium &Tentoonstelling van de AVS, wordt gehouden van 29 oktober-november. 3, 2017, in Tampa, Florida, Junhong Chen, vooraanstaand hoogleraar werktuigbouwkunde, materiaalwetenschap en techniek aan de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee, zal zijn werk presenteren over het uitvinden van een op grafeen gebaseerd detectieplatform voor realtime, goedkope detectie van verschillende waterverontreinigingen. De nieuwe sensor detecteert zware metalen, bacteriën, nitraten en fosfaten.

"Onze technologie voorziet in een onvervulde behoefte aan realtime, goedkope monitoring van kritische verontreinigingen in drinkwater, " zei Chen. "Water speelt een belangrijke rol in de economische wereld, maar slechts 3 procent van het beschikbare water is drinkbaar, en met toenemende vraag, de behoefte aan veilig drinkwater neemt toe."

grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een 2-D honingraatrooster, is een veelbelovend nanomateriaal dankzij zijn unieke structuur en elektrische eigenschappen.

"Intrinsiek grafeen is een zero-gap halfgeleider met een opmerkelijk hoge elektronenmobiliteit (100 keer groter dan die van silicium), wat het aantrekkelijk maakt voor gevoelige, snelle chemische en biologische sensoren vanwege de hoge gevoeligheid voor elektronische storingen, " hij zei.

De sensor werkt door op grafeen gebaseerde nanosheets te plaatsen die halfgeleidend zijn tussen een elektrodeopening. De elektrische geleidbaarheid van het grafeenmateriaal verandert met de binding van stoffen, analyten genoemd, aan het oppervlak en hun chemische bestanddelen worden geïdentificeerd en gemeten.

"De grootte van de geleidbaarheidsverandering kan worden gecorreleerd met de concentratie van analyt, en de technologie omvat ook de functionalisering van het oppervlak van grafeenmateriaal met specifieke sondes die zich op een specifieke analyt kunnen richten, " zei Chen.

De sensor is gebaseerd op een veldeffecttransistor (FET) -apparaat met gereduceerd grafeenoxide (rGO) als detectiekanaal. "Het werkingsprincipe van de sensor is dat de rGO-geleidbaarheid (meestal gemeten in weerstand) verandert met de binding van chemicaliën zoals zware metalen aan sondes die op het rGO-oppervlak zijn verankerd, " zei hij. "Dus de aanwezigheid van de chemicaliën kan worden bepaald door de verandering van de sensorweerstand te meten."

Door deze realtime sensoren in te zetten om waterverontreinigingen in waterdistributiesystemen te monitoren, volgens Chen, ze kunnen vroegtijdig waarschuwen voor chemische en biologische verontreiniging in water, verbetering van de waterveiligheid en de voordelen voor de volksgezondheid.

"De platformtechnologie kan ook verder worden ontwikkeld om verschillende analyten voor voedsel en dranken te detecteren, evenals voor biomedische toepassingen, " zei Chen.

Chen heeft een startup gelanceerd, NanoAffix Science LLC, om zijn detectietechnologie voor de waterkwaliteit te commercialiseren. Met financiering van de National Science Foundation en in samenwerking met verschillende waterbedrijven, ze hebben al een prototype ontwikkeld van een handapparaat voor snelle, goedkope detectie van loodionen in drinkwater. "We zijn het prototype nu aan het verfijnen om er in de nabije toekomst een commercieel product van te maken. " zei Chen.