由铅检测传感器芯片阵列组成的硅晶圆特写。
本报讯 科研人员开发了一种由石墨烯制成的超灵敏传感器，可检测水中浓度极低的铅离子，灵敏度是传统技术的100万倍，达到创纪录的飞摩尔级别检出极限。近日，相关成果发表于《纳米快报》。
长久以来，铅暴露是威胁人类健康的严重问题。有研究表明，饮用水中的铅达到1个ppb（10亿分之一）浓度，就可能导致生长发育缓慢等有害后果。因此，如何大幅提升铅检测的灵敏度备受关注。
目前，用于高精度和高灵敏度铅检测的传统技术通常依赖昂贵的仪器，这限制了广泛应用。家庭试剂盒虽然更易得，但往往不可靠。
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平台。
该研究中的装置由安装在硅片上的单层石墨烯组成。美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校研究人员通过在石墨烯表面附着连接体分子增强传感能力，最终实现对铅离子的捕获。
科研人员使用了对特定离子具有特异选择性的核酸适配体，即一种短的单链DNA或RNA作为离子受体，通过调整DNA或RNA序列，进一步增强了受体与铅离子的结合力，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黏附、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。通过优化热力学参数以及系统设计，研究人员最终创造出这种灵敏度前所未有、特异性检测铅离子的传感器。
目前，这项技术还处于概念验证阶段。“希望有一天能在现实世界中实现它。”论文通讯作者、加利福尼亚大学圣地亚哥分校教授Prabhakar R. Bandaru表示，下一步需要与行业伙伴合作，扩大生产以供商业使用。
“鉴于相对容易制造，我们的最终目标是将其安装在家庭中。”Bandaru说，期待有朝一日，“哪怕水中只存在一个铅离子，也能被检测出来”。（张楠）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04066
石墨烯科研
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