石墨烯檢測器鉛靈敏度提升百萬倍

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日前，美國加州大學圣地亞哥分校科研人員在《納米快報》發表文章表示，開發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，靈敏度是傳統技術的100萬倍，達到創紀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：加州大學圣地亞哥分校

長久以來，鉛暴露是威脅人類健康的嚴重問題。有研究表明，飲用水中鉛達到1個ppb（10億分之一）濃度，就可能會導致如生長發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注的話題。

目前，用于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。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電性和巨大的比表面積，為傳感應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，這種連接體充當離子受體的錨，并最終實現對鉛離子的捕獲。這項工作的一個關鍵特征，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，通過調整DNA或RNA序列，進一步增強了受體對鉛離子的結合力，使傳感器僅在與鉛離子結合時被觸發。

同時，通過詳細研究石墨烯傳感器表面在分子尺度的反應過程，科研人員實現了飛摩爾檢測極限。他們結合實驗與理論研究，監測了連接體與石墨烯表面的逐步粘附、受體與連接體的結合，以及最終鉛離子與受體的連接。

通過分析系統的結合能、電容變化、分子構象等熱力學參數，科學家發現這些參數在優化傳感器性能方面發揮著關鍵作用。通過優化這些熱力學參數以及整個系統的設計，研究人員最終創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，這項技術正處于概念驗證階段。“我們開發的技術旨在克服成本和可靠性問題。”論文通訊作者、加州大學教授Prabhakar R. Bandaru表示：“希望有一天能在現實世界中實現它。”因此，下一步需要與行業伙伴合作，擴大生產以供商業使用。

“鑒于其相對易于制造，我們的目標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”。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04066