加州大學圣地亞哥分校的工程師開發了一種由石墨烯制成的超靈敏傳感器，可以檢測水中濃度極低的鉛離子。該設備實現了低至飛摩爾范圍的鉛檢測極限，比以前的傳感技術靈敏一百萬倍。

加州大學圣地亞哥分校機械與航空航天工程系教授普拉巴卡爾·班達魯 (Prabhakar Bandaru) 表示：“憑借我們設備的極高靈敏度，我們最終希望能夠檢測到合理體積的水中是否存在一種鉛離子。”工程學院。“鉛暴露是一個嚴重的健康問題，有研究表明，飲用水中鉛濃度達到十億分之一的水平可能會導致有害后果，例如人類生長和發育遲緩。”

最近發表在Nano Letters上的一篇論文描述了這項工作。

本研究中的設備由安裝在硅晶片上的單層石墨烯組成。石墨烯具有卓越的導電性和表面積與體積比，為傳感應用提供了理想的平臺。研究人員通過將連接分子附著到其表面來增強石墨烯層的傳感能力。該連接體充當離子受體的錨，并最終充當鉛離子。

這項工作的關鍵特征之一是使傳感器對于檢測鉛離子具有高度特異性。研究人員使用適體(一種短的單鏈 DNA 或 RNA)作為離子受體。這些受體分子以其對特定離子的固有選擇性而聞名。研究人員通過定制受體的 DNA 或 RNA 序列，進一步增強了受體對鉛離子的結合親和力。這確保了傳感器僅在與鉛離子結合時才會被觸發。

通過詳細研究石墨烯傳感器表面發生的分子事件，實現飛摩爾檢測限。研究人員結合實驗和理論技術來監測連接體與石墨烯表面的逐步粘附，然后是受體與連接體的結合，最后是鉛離子與受體的附著。

研究人員分析了系統的熱力學參數，例如結合能、電容變化和分子構象，發現它們在優化傳感器性能方面發揮著關鍵作用。通過優化每個熱力學參數以及整個系統的設計，從電子和材料一直到離子受體，研究人員創建了一種傳感器，可以以前所未有的靈敏度和特異性檢測鉛離子。

除了卓越的靈敏度之外，新型傳感器還具有優于現有方法的其他優點。高精度和高靈敏度檢測鉛的傳統技術通常依賴于昂貴的儀器，這限制了其廣泛使用。與此同時，家用試劑盒雖然更容易獲得，但往往不可靠，并且檢測限相對較差，通常在微摩爾范圍內。

“我們開發的技術旨在克服成本和可靠性問題，”班達魯說。“鑒于其制造相對容易，我們的目標是最終將其部署在家庭中。”

雖然該技術目前處于概念驗證階段，但班達魯希望有一天能夠在現實環境中實施它。下一步包括擴大商業用途的生產規模，這將需要與行業合作伙伴進行合作。