Ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un sensor ultrasensible fabricado con grafeno que puede detectar concentraciones extraordinariamente bajas de iones de plomo en el agua. El dispositivo alcanza un límite récord de detección de plomo hasta el rango femtomolar, que es un millón de veces más sensible que las tecnologías de detección anteriores.

"Con la sensibilidad extremadamente alta de nuestro dispositivo, esperamos detectar incluso la presencia de un ion de plomo en un volumen razonable de agua", dijo Prabhakar Bandaru, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la UC San Diego Jacobs. Escuela de Ingeniería. "La exposición al plomo es un grave problema de salud y se ha indicado que una concentración de plomo a un nivel de partes por mil millones en el agua potable podría provocar resultados perniciosos, como un retraso en el crecimiento y el desarrollo humanos".

El trabajo se describe en un artículo publicado recientemente en Nano Letters. .

El dispositivo de este estudio consta de una única capa de grafeno montada sobre una oblea de silicio. El grafeno, con su notable conductividad y relación superficie-volumen, ofrece una plataforma ideal para aplicaciones de detección. Los investigadores mejoraron las capacidades de detección de la capa de grafeno uniendo una molécula conectora a su superficie. Este conector sirve como ancla para un receptor de iones y, en última instancia, para los iones plomo.

Una de las características clave de este trabajo fue hacer que el sensor fuera altamente específico para detectar iones de plomo. Los investigadores utilizaron un aptámero, que es una cadena corta y única de ADN o ARN, como receptor de iones. Estas moléculas receptoras son conocidas por su selectividad inherente hacia iones específicos. Los investigadores mejoraron aún más la afinidad de unión del receptor por los iones de plomo adaptando su secuencia de ADN o ARN. Esto aseguró que el sensor solo se activaría al unirse a iones de plomo.

Alcanzar el límite de detección femtomolar fue posible estudiando en detalle los eventos moleculares que ocurren en la superficie del sensor de grafeno. Los investigadores utilizaron una combinación de técnicas experimentales y teóricas para monitorear la adhesión gradual del conector a la superficie de grafeno, seguida de la unión del receptor al conector y, finalmente, la unión de los iones de plomo al receptor.

Los investigadores analizaron parámetros termodinámicos del sistema, como energías de enlace, cambios en la capacitancia y conformaciones moleculares, y descubrieron que desempeñaban un papel fundamental en la optimización del rendimiento del sensor. Al optimizar cada uno de estos parámetros termodinámicos, junto con el diseño de todo el sistema, desde la electrónica y los materiales hasta el receptor de iones, los investigadores crearon un sensor que puede detectar iones de plomo con una sensibilidad y especificidad sin precedentes.

Además de su sensibilidad superior, el nuevo sensor posee otras ventajas sobre los métodos existentes. Las técnicas tradicionales para detectar plomo con alta precisión y sensibilidad a menudo dependen de instrumentación costosa, lo que limita su accesibilidad para un uso generalizado. Mientras tanto, los kits caseros, si bien son más accesibles, tienden a ser poco confiables y presentan un límite de detección relativamente pobre, generalmente dentro del rango micromolar.

"La tecnología que desarrollamos tiene como objetivo superar los problemas de costo y confiabilidad", dijo Bandaru. "Nuestro objetivo es que eventualmente se implemente en los hogares, dada su relativa facilidad de fabricación".

Si bien la tecnología se encuentra actualmente en la etapa de prueba de concepto, Bandaru espera algún día implementarla en entornos del mundo real. Los próximos pasos incluyen ampliar la producción para uso comercial, lo que requerirá la colaboración con socios de la industria.

Más información: Alex W. Lee et al, Hacia el límite máximo de detección de analitos, en transistores de efecto de campo basados ​​en grafeno, Nano letras (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04066

Información de la revista: Nanoletras

Proporcionado por la Universidad de California - San Diego