作者:张楠 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/22 14:35:22
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石墨烯检测器 铅灵敏度提升百万倍

 

日前,美国加州大学圣地亚哥分校科研人员在《纳米快报》发表文章表示,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,灵敏度是传统技术的100万倍,达到创纪录的飞摩尔级别的检出极限。




铅离子的实验装置检测装置。 图片来源:加州大学圣地亚哥分校


长久以来,铅暴露是威胁人类健康的严重问题。有研究表明,饮用水中铅达到1个ppb(10亿分之一)浓度,就可能会导致如生长发育缓慢等的有害后果,因此大幅提升铅检测的灵敏度成为惹人关注的话题。


目前,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。而家庭试剂盒虽然更易得,但往往不可靠,检测极限相对较差。


石墨烯具有极佳的导电性和巨大的比表面积,为传感应用提供了理想的平台。本研究中的装置由安装在硅片上的单层石墨烯组成。


研究人员通过在石墨烯表面附着连接体分子来增强传感能力,这种连接体充当离子受体的锚,并最终实现对铅离子的捕获。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。


科研团队使用了对特定离子具有特异选择性的核酸适配体(一种短的单链DNA或RNA)作为离子受体,通过调整DNA或RNA序列,进一步增强了受体对铅离子的结合力,使传感器仅在与铅离子结合时被触发。


同时,通过详细研究石墨烯传感器表面在分子尺度的反应过程,科研人员实现了飞摩尔检测极限。他们结合实验与理论研究,监测了连接体与石墨烯表面的逐步粘附、受体与连接体的结合,以及最终铅离子与受体的连接。


通过分析系统的结合能、电容变化、分子构象等热力学参数,科学家发现这些参数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以及整个系统的设计,研究人员最终创造出这种灵敏度前所未有的、特异性检测铅离子的传感器。


目前,这项技术正处于概念验证阶段。“我们开发的技术旨在克服成本和可靠性问题。”论文通讯作者、加州大学教授Prabhakar R. Bandaru表示:“希望有一天能在现实世界中实现它。”因此,下一步需要与行业伙伴合作,扩大生产以供商业使用。


“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。” Bandaru说,期待有朝一日,“水中哪怕只有一个铅离子存在,也能检测出来”。


相关论文信息:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04066


 
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