Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé un capteur ultra-sensible à base de graphène capable de détecter des concentrations extraordinairement faibles d'ions plomb dans l'eau. L'appareil atteint une limite record de détection du plomb jusqu'à la plage femtomolaire, qui est un million de fois plus sensible que les technologies de détection précédentes.

"Grâce à la sensibilité extrêmement élevée de notre appareil, nous espérons finalement détecter ne serait-ce que la présence d'un ion plomb dans un volume d'eau raisonnable", a déclaré Prabhakar Bandaru, professeur au Département de génie mécanique et aérospatial de l'UC San Diego Jacobs. École d'ingénieurs. "L'exposition au plomb est un grave problème de santé, et il a été indiqué qu'une concentration de plomb de l'ordre de quelques parties par milliard dans l'eau potable pourrait entraîner des conséquences pernicieuses, telles qu'un retard de croissance et de développement humain."

Le travail est décrit dans un article publié récemment dans Nano Letters. .

Le dispositif de cette étude consiste en une seule couche de graphène montée sur une plaquette de silicium. Le graphène, avec sa conductivité et son rapport surface/volume remarquables, offre une plate-forme idéale pour les applications de détection. Les chercheurs ont amélioré les capacités de détection de la couche de graphène en attachant une molécule de liaison à sa surface. Ce lieur sert d'ancre à un récepteur d'ions et, finalement, aux ions plomb.

L’une des principales caractéristiques de ce travail était de rendre le capteur hautement spécifique pour la détection des ions plomb. Les chercheurs ont utilisé un aptamère, qui est un court brin unique d’ADN ou d’ARN, comme récepteur d’ions. Ces molécules réceptrices sont connues pour leur sélectivité inhérente envers des ions spécifiques. Les chercheurs ont encore amélioré l'affinité de liaison du récepteur pour les ions plomb en adaptant sa séquence d'ADN ou d'ARN. Cela garantissait que le capteur ne serait déclenché que lors de la liaison aux ions plomb.

L'atteinte de la limite de détection femtomolaire a été rendue possible grâce à l'étude détaillée des événements moléculaires se produisant à la surface du capteur de graphène. Les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques expérimentales et théoriques pour surveiller l'adhésion progressive du lieur à la surface du graphène, suivie de la liaison du récepteur au lieur et enfin de la fixation des ions plomb au récepteur.

Les chercheurs ont analysé les paramètres thermodynamiques du système, tels que les énergies de liaison, les changements de capacité et les conformations moléculaires, et ont découvert qu'ils jouaient un rôle essentiel dans l'optimisation des performances du capteur. En optimisant chacun de ces paramètres thermodynamiques, ainsi que la conception de l'ensemble du système, depuis l'électronique et les matériaux jusqu'au récepteur d'ions, les chercheurs ont créé un capteur capable de détecter les ions plomb avec une sensibilité et une spécificité sans précédent.

En plus de sa sensibilité supérieure, le nouveau capteur possède d'autres avantages par rapport aux méthodes existantes. Les techniques traditionnelles de détection du plomb avec une précision et une sensibilité élevées reposent souvent sur des instruments coûteux, ce qui limite leur accessibilité pour une utilisation généralisée. Pendant ce temps, les kits à domicile, bien que plus accessibles, ont tendance à être peu fiables et présentent une limite de détection relativement faible, généralement dans la plage micromolaire.

"La technologie que nous avons développée vise à résoudre les problèmes de coût ainsi que de fiabilité", a déclaré Bandaru. "Notre objectif est qu'il soit à terme déployé dans les foyers, compte tenu de sa relative facilité de fabrication."

Bien que la technologie soit actuellement au stade de la validation de principe, Bandaru espère un jour la mettre en œuvre dans des contextes réels. Les prochaines étapes incluent l'augmentation de la production à des fins commerciales, ce qui nécessitera une collaboration avec des partenaires industriels.

Plus d'informations : Alex W. Lee et al, Vers la limite ultime de la détection des analytes, dans Transistors à effet de champ basés sur le graphène, Nano Letters (2024). DOI :10.1021/acs.nanolett.3c04066

Informations sur le journal : Lettres nano

Fourni par l'Université de Californie - San Diego