日前，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校科研人員在《納米快報(bào)》發(fā)表文章表示，開發(fā)了一種由石墨烯制成的超靈敏傳感器，可以檢測(cè)水中極低濃度的鉛離子，靈敏度是傳統(tǒng)技術(shù)的100萬(wàn)倍，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的飛摩爾級(jí)別的檢出極限。
鉛離子的實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)裝置。 圖片來(lái)源：加州大學(xué)圣地亞哥分校
長(zhǎng)久以來(lái)，鉛暴露是威脅人類健康的嚴(yán)重問(wèn)題。有研究表明，飲用水中鉛達(dá)到1個(gè)ppb（10億分之一）濃度，就可能會(huì)導(dǎo)致如生長(zhǎng)發(fā)育緩慢等的有害后果，因此大幅提升鉛檢測(cè)的靈敏度成為惹人關(guān)注的話題。
目前，用于高精度和高靈敏度檢測(cè)鉛的傳統(tǒng)技術(shù)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(cè)極限相對(duì)較差。
石墨烯具有極佳的導(dǎo)電性和巨大的比表面積，為傳感應(yīng)用提供了理想的平臺(tái)。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(guò)在石墨烯表面附著連接體分子來(lái)增強(qiáng)傳感能力，這種連接體充當(dāng)離子受體的錨，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛離子的捕獲。這項(xiàng)工作的一個(gè)關(guān)鍵特征，是使傳感器對(duì)檢測(cè)鉛離子具有高度的特異性。
科研團(tuán)隊(duì)使用了對(duì)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(guò)調(diào)整DNA或RNA序列，進(jìn)一步增強(qiáng)了受體對(duì)鉛離子的結(jié)合力，使傳感器僅在與鉛離子結(jié)合時(shí)被觸發(fā)。
同時(shí)，通過(guò)詳細(xì)研究石墨烯傳感器表面在分子尺度的反應(yīng)過(guò)程，科研人員實(shí)現(xiàn)了飛摩爾檢測(cè)極限。他們結(jié)合實(shí)驗(yàn)與理論研究，監(jiān)測(cè)了連接體與石墨烯表面的逐步粘附、受體與連接體的結(jié)合，以及最終鉛離子與受體的連接。
通過(guò)分析系統(tǒng)的結(jié)合能、電容變化、分子構(gòu)象等熱力學(xué)參數(shù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)在優(yōu)化傳感器性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)優(yōu)化這些熱力學(xué)參數(shù)以及整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究人員最終創(chuàng)造出這種靈敏度前所未有的、特異性檢測(cè)鉛離子的傳感器。
目前，這項(xiàng)技術(shù)正處于概念驗(yàn)證階段。“我們開發(fā)的技術(shù)旨在克服成本和可靠性問(wèn)題。”論文通訊作者、加州大學(xué)教授Prabhakar R. Bandaru表示：“希望有一天能在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)它。”因此，下一步需要與行業(yè)伙伴合作，擴(kuò)大生產(chǎn)以供商業(yè)使用。
“鑒于其相對(duì)易于制造，我們的目標(biāo)是最終將其部署在家庭中。” Bandaru說(shuō)，期待有朝一日，“水中哪怕只有一個(gè)鉛離子存在，也能檢測(cè)出來(lái)”。
