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加州大学圣地亚哥分校新闻

超灵敏铅检测仪可显著改善水质监测

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,可以检测水中极低浓度的铅离子。该设备实现了创纪录的铅检测限,可检测到飞摩尔范围,其灵敏度是以前的传感技术的一百万倍。

“凭借我们设备的极高灵敏度,我们最终希望在合理体积的水中检测到一个铅离子的存在,”加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院机械与航空航天工程系教授Prabhakar Bandaru说。“铅暴露是一个严重的健康问题,已经表明,饮用水中铅浓度达到十亿分之一的水平可能导致有害后果,例如人类生长发育迟缓。

这项工作在最近发表在 Nano Letters上的一篇论文中进行了描述。

Illustration of the graphene sensor detecting lead ions.
设备图示。插图显示了单层石墨烯与接头的表面修饰,接头锚定了专门结合先导离子的离子受体。图片由Bandaru Lab/UC San Diego提供

本研究中的器件由安装在硅晶片上的单层石墨烯组成。石墨烯具有出色的导电性和表面体积比,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在石墨烯层表面来增强石墨烯层的传感能力。该连接子充当离子受体的锚,并最终充当先导离子。

这项工作的一个关键特点是使传感器在检测铅离子方面具有高度特异性。研究人员使用适配体(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。研究人员通过调整受体的DNA或RNA序列,进一步增强了受体对先导离子的结合亲和力。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,实现了飞摩尔检测极限。研究人员结合使用实验和理论技术来监测接头与石墨烯表面的逐步粘附,然后是受体与接头的结合,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,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了关键作用。通过优化这些热力学参数中的每一个,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传感器,可以以前所未有的灵敏度和特异性检测铅离子。

“这项工作真正体现了所有贡献者之间的协作和协同作用,”班达鲁说。“基础设备注意事项和协议是由目前在LAM公司工作的Yongliang Dong建立的。Deependra Ban是一位杰出的生物化学家,他设计了用于铅检测的最先进的适配体。Shreyam Natani 敏锐的洞察力和原子力显微镜工作产生了新的视角。第一作者亚历克斯·李(Alex Lee)坚定不移地进行了实验工作。

除了卓越的灵敏度外,与现有方法相比,新传感器还具有其他优势。以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的可及性。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,”Bandaru说。“我们的目标是让它最终部署在家庭中,因为它相对容易制造。

虽然该技术目前处于概念验证阶段,但Bandaru希望有朝一日能在现实世界中实施它。下一步包括扩大商业用途的生产,这将需要与行业合作伙伴合作。

论文题目:“Towards the Ultimate Limit of Analyte Detection, in Graphene-Based Field-Effect Transistors”。合著者包括加州大学圣地亚哥分校的 Alex W. Lee、Yongliang Dong 和 Shreyam Natani;和凯克研究生院的 Deependra Kumar Ban。

这项工作得到了陆军研究办公室(W911NF-21-1-0041-(74813-MS))的支持。

Electronic chip mounted on a platform with wires.
检测一滴水中铅离子的装置的实验装置。

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://today.ucsd.edu/story/ultra-sensitive-lead-detector-could-significantly-improve-water-quality-monitoring