石墨烯檢測器 鉛靈敏度提升百萬倍
日前，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校科研人員在《納米快報》發(fā)表文章表示，開發(fā)了一種由石墨烯制成的超靈敏傳感器，可以檢測水中極低濃度的鉛離子，靈敏度是傳統(tǒng)技術(shù)的100萬倍，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的飛摩爾級別的檢出極限。
鉛離子的實驗裝置檢測裝置。 圖片來源：加州大學(xué)圣地亞哥分校
長久以來，鉛暴露是威脅人類健康的嚴(yán)重問題。有研究表明，飲用水中鉛達(dá)到1個ppb（10億分之一）濃度，就可能會導(dǎo)致如生長發(fā)育緩慢等的有害后果，因此大幅提升鉛檢測的靈敏度成為惹人關(guān)注的話題。
目前，用于高精度和高靈敏度檢測鉛的傳統(tǒng)技術(shù)通常依賴于昂貴的儀器，這限制了其廣泛使用。而家庭試劑盒雖然更易得，但往往不可靠，檢測極限相對較差。
石墨烯具有極佳的導(dǎo)電性和巨大的比表面積，為傳感應(yīng)用提供了理想的平臺。本研究中的裝置由安裝在硅片上的單層石墨烯組成。
研究人員通過在石墨烯表面附著連接體分子來增強傳感能力，這種連接體充當(dāng)離子受體的錨，并最終實現(xiàn)對鉛離子的捕獲。這項工作的一個關(guān)鍵特征，是使傳感器對檢測鉛離子具有高度的特異性。
科研團隊使用了對特定離子具有特異選擇性的核酸適配體（一種短的單鏈DNA或RNA）作為離子受體，通過調(diào)整DNA或RNA序列，進一步增強了受體對鉛離子的結(jié)合力，使傳感器僅在與鉛離子結(jié)合時被觸發(fā)。
同時，通過詳細(xì)研究石墨烯傳感器表面在分子尺度的反應(yīng)過程，科研人員實現(xiàn)了飛摩爾檢測極限。他們結(jié)合實驗與理論研究，監(jiān)測了連接體與石墨烯表面的逐步粘附、受體與連接體的結(jié)合，以及最終鉛離子與受體的連接。
通過分析系統(tǒng)的結(jié)合能、電容變化、分子構(gòu)象等熱力學(xué)參數(shù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)在優(yōu)化傳感器性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過優(yōu)化這些熱力學(xué)參數(shù)以及整個系統(tǒng)的設(shè)計，研究人員最終創(chuàng)造出這種靈敏度前所未有的、特異性檢測鉛離子的傳感器。
目前，這項技術(shù)正處于概念驗證階段。“我們開發(fā)的技術(shù)旨在克服成本和可靠性問題。”論文通訊作者、加州大學(xué)教授Prabhakar R. Bandaru表示：“希望有一天能在現(xiàn)實世界中實現(xiàn)它。”因此，下一步需要與行業(yè)伙伴合作，擴大生產(chǎn)以供商業(yè)使用。
“鑒于其相對易于制造，我們的目標(biāo)是最終將其部署在家庭中。” Bandaru說，期待有朝一日，“水中哪怕只有一個鉛離子存在，也能檢測出來”。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04066
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