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(noticias nanowerk) Ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un sensor de grafeno altamente sensible que puede detectar concentraciones excepcionalmente bajas de iones de plomo en el agua. El dispositivo alcanza un límite récord en la detección de plomo hasta el rango femtomolar, que es un millón de veces más sensible que las tecnologías de sensores anteriores.
«Con la sensibilidad extremadamente alta de nuestro dispositivo, en última instancia esperamos detectar la presencia de incluso un ion de plomo en una cantidad 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 representa un riesgo grave para la salud y se ha sugerido que niveles de plomo del orden de partes por mil millones en el agua potable podrían tener consecuencias adversas como: B. Trastornos del crecimiento y desarrollo en humanos.”
El trabajo se describe en un artículo publicado en nano letras (“Hacia la última frontera de la detección de analitos en transistores de efecto de campo basados en grafeno”).
![Ilustración de un sensor de grafeno que detecta iones de plomo](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64579_1.jpg)
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 entre superficie y volumen, proporciona 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 de 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, una cadena corta y sencilla hecha de ADN o ARN, como receptor de iones. Estas moléculas receptoras son conocidas por su selectividad inherente hacia ciertos iones. Los investigadores aumentaron 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 activara cuando estuviera unido a iones de plomo.
Alcanzar el límite de detección femtomolar fue posible gracias a un estudio detallado de 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 las energías de enlace, los cambios de capacitancia y las conformaciones moleculares, y descubrieron que desempeñaban un papel crucial en la optimización del rendimiento del sensor. Al optimizar cada uno de estos parámetros termodinámicos, así como el diseño de todo el sistema, desde la electrónica y los materiales hasta el receptor de iones, los investigadores han creado un sensor que puede detectar iones de plomo con una sensibilidad y especificidad sin precedentes.
![Configuración experimental de un dispositivo sensor para detectar iones de plomo en una gota de agua.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64579_2.jpg)
Además de su sensibilidad superior, el nuevo sensor ofrece ventajas adicionales sobre los métodos existentes. Las técnicas tradicionales para detectar plomo con alta precisión y sensibilidad a menudo dependen de instrumentos costosos, lo que limita su accesibilidad para un uso generalizado. Mientras tanto, los kits caseros, aunque más accesibles, tienden a ser poco confiables y tienen un límite de detección relativamente pobre, generalmente en el rango micromolar.
«La tecnología que estamos desarrollando tiene como objetivo superar los problemas de costo y confiabilidad», dijo Bandaru. «Nuestro objetivo es que, debido a su fabricación relativamente sencilla, eventualmente se utilice en hogares privados».
Si bien la tecnología se encuentra actualmente en la etapa de prueba de concepto, Bandaru espera implementarla algún día 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.
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