Grafene-gebaseerde Loodsensor Stelt Nieuw Gevoeligheidsrecord Voor Waterveiligheid

Universiteit van Californië, San Diego

Experimentele opstelling bestaande uit één sensorchip die loodionen in een druppel water detecteert. (Afbeelding: Ter beschikking van Bandaru Lab/UC San Diego)

Ingenieurs aan de Universiteit van Californië San Diego hebben een ultra-gevoelige sensor ontwikkeld gemaakt met grafene die extraordinaris lage concentraties loodionen in water kan detecteren. Het apparaat bereikt een record detectielimiet voor lood tot in het femtomolaire bereik, wat een miljoen keer gevoeliger is dan eerdere sensortechnologieën.

"Met de extreme hoge gevoeligheid van ons apparaat, hopen we uiteindelijk zelfs de aanwezigheid van één loodion in een redelijk volume water te detecteren," zei Prabhakar Bandaru, een professor in de afdeling Mechanische en Luchtvaarttechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Loodblootstelling is een ernstig gezondheidsprobleem, en er is aangegeven dat een loodconcentratie op het niveau van delen per miljard in drinkwater kan leiden tot schadelijke uitkomsten, zoals achterlijke menselijke groei en ontwikkeling."

Het apparaat in deze studie bestaat uit een enkele laag grafene gemonteerd op een silicium wafer. Grafene, met zijn opmerkelijke geleiding en oppervlakte-tot-volume verhouding, biedt een ideaal platform voor sensorapplicaties. De onderzoekers verbeterden de sensormogelijkheden van de grafene laag door een linker molecuul aan het oppervlak te hechten. Deze linker fungeert als de anker voor een ionenreceptor en, uiteindelijk, de loodionen.

Een van de cruciale kenmerken van dit werk was het maken van de sensor hoog specifiek voor het detecteren van loodionen. De onderzoekers gebruikten een aptamer, wat een korte, enkelstrengs DNA of RNA is, als de ionenreceptor. Deze receptormoleculen zijn bekend om hun inherent selectiviteit naar specifieke ionen. De onderzoekers versterkten de bindingsaffiniteit van de receptor voor loodionen verder door de DNA of RNA sequentie aan te passen. Dit zorgde ervoor dat de sensor alleen getriggerd zou worden bij binding aan loodionen.

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

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

Naast de superieure gevoeligheid, bezit de nieuwe sensor andere voordelen boven bestaande methoden. Traditionele technieken voor het detecteren van lood met hoge nauwkeurigheid en gevoeligheid vertrouwen vaak op dure instrumentatie, wat hun toegankelijkheid voor wijdverspreid gebruik beperkt. Terwijl thuiskits, hoewel meer toegankelijk, neigen onbetrouwbaar te zijn en een relatief slechte detectielimiet te vertonen, typisch binnen het micromolaire bereik.

"De technologie die we ontwikkeld hebben, heeft als doel de kwesties van kosten en betrouwbaarheid op te lossen," zei Bandaru. "Ons doel is om het uiteindelijk in huishoudens te implementeren, gegeven de relatieve eenvoud van fabricatie."

Hoewel de technologie momenteel in het proof-of-concept stadium is, hoopt Bandaru het een dag in real-world settings te implementeren. Volgende stappen omvatten het opschalen van productie voor commercieel gebruik, wat samenwerking met industriepartners noodzakelijk maakt.

Voor meer informatie, contact Liezel Labios op Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft JavaScript ingeschakeld om het te bekijken..