تشخیص سرب در آب با حساسیت یک میلیون‌برابر بیشتر از فناوری‌های فعلی

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، مهندسان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو نانوحسگر فوق حساسی ساخته‌اند که می‌تواند غلظت‌های فوق‌العاده پایین یون‌های سرب را در آب تشخیص دهد. این دستگاه به یک حد رکورد تشخیص سرب تا محدوده فمتومولار دست می‌یابد که یک میلیون برابر حساس‌تر از فناوری‌های حسگری قبلی است.

پرابهاکار بندرو، پروفسور دپارتمان مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو گفت: «با حساسیت بسیار بالای این دستگاه، ما در نهایت امیدواریم که حتی وجود یک یون سرب را در حجم معقولی از آب تشخیص دهیم. قرار گرفتن در معرض سرب یک نگرانی جدی برای سلامتی است و نشان داده شده است که غلظت سرب در سطح ppb در آب آشامیدنی می‌تواند منجر به پیامدهای مخربی مانند توقف رشد و توسعه سلول‌های انسان شود.»

نتایج این کار در مقاله‌ای در Nano Letters منتشر شده است.

این دستگاه شامل یک لایه گرافن است که روی ویفر سیلیکونی نصب شده است. گرافن، با رسانایی قابل توجه و نسبت سطح به حجم بالا، یک پلت فرم ایده‌آل برای کاربردهای حسگری است. محققان قابلیت‌های حسگری لایه گرافن را با اتصال یک مولکول پیوندی به سطح آن افزایش دادند. این پیوند دهنده به عنوان لنگر گیرنده یون و در نهایت یون‌های سرب عمل می کند.

یکی از ویژگی‌های کلیدی این کار این بود که حسگر ساخته شده دارای انتخابگری ویژه‌ای برای تشخیص یون‌های سرب است. محققان از آپتامر که یک رشته کوتاه و منفرد DNA یا RNA است به عنوان گیرنده یونی استفاده کردند. این مولکول های گیرنده به دلیل انتخاب ذاتی خود نسبت به یون‌های خاص شناخته شده‌اند. محققان میل اتصال گیرنده به یون‌های سرب را با تنظیم توالی DNA یا RNA آن بیشتر افزایش دادند. این کار اطمینان می‌دهد که حسگر تنها پس از اتصال به یون‌های سرب فعال می‌شود.

دستیابی به حد فمتومولار تشخیص با مطالعه دقیق رویدادهای مولکولی رخ داده در سطح حسگر گرافنی امکان‌پذیر می‌شود.

محققان پارامترهای ترمودینامیکی سیستم مانند انرژی‌های اتصال، تغییرات در ظرفیت خازنی و ترکیبات مولکولی را تجزیه و تحلیل کردند و دریافتند که آن‌ها نقش مهمی در بهینه‌سازی عملکرد حسگر دارند. با بهینه‌سازی هر یک از این پارامترهای ترمودینامیکی، همراه با طراحی کلی سیستم، محققان حسگری ایجاد کردند که می‌تواند یون‌های سرب را با حساسیت و ویژگی بی‌سابقه‌ای تشخیص دهد.

بندرو گفت: «فناوری که ما توسعه دادیم با هدف غلبه بر مسائل هزینه و همچنین قابلیت اطمینان انجام شده است. هدف ما این است که با توجه به سهولت نسبی ساخت آن، در نهایت این حسگر در خانه‌ها مستقر شود.»