Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een ultragevoelige sensor ontwikkeld, gemaakt met grafeen, die buitengewoon lage concentraties loodionen in water kan detecteren. Het apparaat bereikt een recordlimiet voor de detectie van lood tot in het femtomolaire bereik, dat een miljoen keer gevoeliger is dan eerdere detectietechnologieën.

"Met de extreem hoge gevoeligheid van ons apparaat hopen we uiteindelijk zelfs de aanwezigheid van één loodion in een redelijk volume water te kunnen detecteren", zegt Prabhakar Bandaru, professor aan de afdeling Mechanische en Ruimtevaarttechniek van de UC San Diego Jacobs. Technische school. "Blootstelling aan lood is een ernstig probleem voor de gezondheid, en er is aangegeven dat een loodconcentratie van delen per miljard in drinkwater tot schadelijke gevolgen zou kunnen leiden, zoals remming van de menselijke groei en ontwikkeling."

Het werk wordt beschreven in een artikel dat onlangs is gepubliceerd in Nano Letters .

Het apparaat in dit onderzoek bestaat uit een enkele laag grafeen, gemonteerd op een siliciumwafel. Grafeen biedt met zijn opmerkelijke geleidbaarheid en oppervlakte-volumeverhouding een ideaal platform voor detectietoepassingen. De onderzoekers verbeterden de detectiemogelijkheden van de grafeenlaag door een linkermolecuul aan het oppervlak te bevestigen. Deze linker dient als anker voor een ionenreceptor en uiteindelijk voor de loodionen.

Een van de belangrijkste kenmerken van dit werk was dat de sensor zeer specifiek werd gemaakt voor het detecteren van loodionen. De onderzoekers gebruikten een aptameer, een korte, enkele streng DNA of RNA, als ionenreceptor. Deze receptormoleculen staan ​​bekend om hun inherente selectiviteit ten opzichte van specifieke ionen. De onderzoekers verbeterden de bindingsaffiniteit van de receptor voor loodionen verder door de DNA- of RNA-sequentie aan te passen. Dit zorgde ervoor dat de sensor alleen zou worden geactiveerd bij binding aan loodionen.

Het bereiken van de femtomolaire detectielimiet werd mogelijk gemaakt door de moleculaire gebeurtenissen die plaatsvinden op het oppervlak van de grafeensensor in detail te bestuderen. De onderzoekers gebruikten een combinatie van experimentele en theoretische technieken om de stapsgewijze adhesie van de linker aan het grafeenoppervlak te monitoren, gevolgd door de binding van de receptor aan de linker en ten slotte de hechting van loodionen aan de receptor.

De onderzoekers analyseerden thermodynamische parameters van het systeem, zoals bindingsenergieën, veranderingen in capaciteit en moleculaire conformaties, en ontdekten dat ze een cruciale rol speelden bij het optimaliseren van de prestaties van de sensor. Door elk van deze thermodynamische parameters te optimaliseren, samen met het ontwerp van het hele systeem, van de elektronica en materialen tot aan de ionenreceptor, creëerden de onderzoekers een sensor die loodionen kan detecteren met een ongekende gevoeligheid en specificiteit.

Naast zijn superieure gevoeligheid heeft de nieuwe sensor nog andere voordelen ten opzichte van bestaande methoden. Traditionele technieken voor het detecteren van lood met hoge nauwkeurigheid en gevoeligheid zijn vaak afhankelijk van dure instrumenten, wat hun toegankelijkheid voor wijdverbreid gebruik beperkt. Ondertussen zijn thuiskits weliswaar toegankelijker, maar vaak onbetrouwbaar en vertonen ze een relatief slechte detectielimiet, doorgaans binnen het micromolaire bereik.

"De technologie die we hebben ontwikkeld is bedoeld om zowel de kosten als de betrouwbaarheid te overwinnen", aldus Bandaru. "Ons doel is dat het uiteindelijk in woningen wordt ingezet, gezien het relatieve fabricagegemak."

Hoewel de technologie zich momenteel in de proof-of-concept-fase bevindt, hoopt Bandaru deze op een dag in de praktijk te implementeren. Volgende stappen omvatten het opschalen van de productie voor commercieel gebruik, waarvoor samenwerking met industriële partners noodzakelijk is.

Meer informatie: Alex W. Lee et al., Op weg naar de ultieme grens van analytdetectie, in op grafeen gebaseerde veldeffecttransistors, Nanoletters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04066

Journaalinformatie: Nanobrieven

Aangeboden door Universiteit van Californië - San Diego