超灵敏铅探测器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。该设备在毫微微层范围内实现了铅探测的创纪录极限，其灵敏度是以前传感技术的一百万倍

Prabhakar Bandaru说：“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哪怕是一种铅离子的存在。”，加州大学圣地亚哥雅各布工程学院机械与航空航天工程系教授。“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一可能会导致有害后果，如人类生长发育迟缓。”

最近发表在《纳米快报》上的一篇论文描述了这项工作

本研究中的装置由安装在硅片上的单层石墨烯组成。石墨烯具有显著的导电性和表面体积比，为传感应用提供了理想的平台。研究人员通过在石墨烯层表面附着连接分子来增强石墨烯层的传感能力。这种连接体充当离子受体的锚，并最终充当铅离子的锚

这项工作的一个关键特征是使传感器对检测铅离子具有高度的特异性。研究人员使用了一种适体作为离子受体，适体是DNA或RNA的短单链。已知这些受体分子对特定离子具有固有的选择性。研究人员通过调整其DNA或RNA序列，进一步增强了受体对铅离子的结合亲和力。这确保了传感器将仅在与铅离子结合时被触发

通过详细研究石墨烯传感器表面发生的分子事件，实现了飞秒检测极限。研究人员结合实验和理论技术，监测了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，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。通过优化这些热力学参数中的每一个，以及整个系统的设计，从电子器件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

与现有方法相比，新传感器除了具有优越的灵敏度外，还具有其他优点。用于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，家庭试剂盒虽然更容易获得，但往往不可靠，检测极限相对较差，通常在微摩尔范围内

Bandaru说：“我们开发的技术旨在克服成本和可靠性问题。”。“鉴于其相对易于制造，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Bandaru希望有一天能在现实世界中实施。下一步包括扩大生产以供商业使用，这将需要与行业合作伙伴合作