Inženjeri na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu razvili su ultra-osetljivi senzor napravljen od grafena koji može da detektuje izuzetno niske koncentracije jona olova u vodi. Uređaj postiže rekordnu granicu detekcije olova do femtomolarnog opsega, koji je milion puta osetljiviji od prethodnih tehnologija sensinga.
„Sa izuzetno visokom osetljivošću našeg uređaja, na kraju se nadamo da ćemo otkriti čak i prisustvo jednog olovnog jona u razumnoj količini vode“, rekao je Prabhakar Bandaru, profesor na Odseku za mašinstvo i vazduhoplovstvo na UC San Diego Jacobs. Tehnička škola. „Izloženost olovu predstavlja ozbiljnu zabrinutost za zdravlje i pokazalo se da bi koncentracija olova na nivou delova na milijardu u vodi za piće mogla dovesti do štetnih ishoda, kao što su usporavanje ljudskog rasta i razvoja.
Rad je opisan u radu objavljenom nedavno u Nano Letters.
Uređaj u ovoj studiji sastoji se od jednog sloja grafena postavljenog na silikonsku pločicu. Grafen, sa svojom izuzetnom provodljivošću i odnosom površine i zapremine, nudi idealnu platformu za aplikacije senzora. Istraživači su poboljšali senzorne sposobnosti sloja grafena tako što su pričvrstili molekul povezivača na njegovu površinu. Ovaj linker služi kao sidro za jonski receptor i, na kraju, olovne jone.
Jedna od ključnih karakteristika ovog rada bila je da senzor bude veoma specifičan za detekciju olovnih jona. Istraživači su koristili aptamer, koji je kratak, pojedinačni lanac DNK ili RNK, kao jonski receptor. Ovi receptorski molekuli su poznati po svojoj inherentnoj selektivnosti prema specifičnim jonima. Istraživači su dodatno poboljšali afinitet vezivanja receptora za jone olova prilagođavajući njegovu DNK ili RNK sekvencu. Ovo je osiguralo da se senzor aktivira samo nakon vezivanja za jone olova.
Postizanje femtomolarne granice detekcije omogućeno je detaljnim proučavanjem molekularnih događaja koji se dešavaju na površini senzora grafena. Istraživači su koristili kombinaciju eksperimentalnih i teorijskih tehnika za praćenje postepene adhezije linkera na površinu grafena, nakon čega je usledilo vezivanje receptora za linker, i konačno, vezivanje olovnih jona za receptor.
Istraživači su analizirali termodinamičke parametre sistema kao što su energije vezivanja, promene u kapacitivnosti i molekularne konformacije i otkrili da su oni igrali kritičnu ulogu u optimizaciji performansi senzora. Optimizacijom svakog od ovih termodinamičkih parametara, zajedno sa dizajnom čitavog sistema, od elektronike i materijala pa sve do jonskog receptora, istraživači su kreirali senzor koji može detektovati olovne jone sa neviđenom osetljivošću i specifičnošću.
Pored svoje superiorne osetljivosti, novi senzor poseduje i druge prednosti u odnosu na postojeće metode. Tradicionalne tehnike za detekciju olova sa visokom preciznošću i osetljivošću često se oslanjaju na skupe instrumente, što ograničava njihovu dostupnost za široku upotrebu. U međuvremenu, kućni kompleti, iako su pristupačniji, imaju tendenciju da budu nepouzdani i pokazuju relativno slabu granicu detekcije, obično unutar mikromolarnog opsega.
„Tehnologija koju smo razvili ima za cilj da prevaziđe pitanja troškova, kao i pouzdanosti“, rekao je Bandaru. „Naš cilj je da na kraju bude raspoređen u domovima, s obzirom na njegovu relativnu lakoću proizvodnje.“
Iako je tehnologija trenutno u fazi dokazivanja koncepta, Bandaru se nada da će je jednog dana implementirati u realnim uslovima. Sledeći koraci uključuju povećanje proizvodnje za komercijalnu upotrebu, što će zahtevati saradnju sa industrijskim partnerima.
