Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um sensor ultrassensível feito de grafeno que pode detectar concentrações extraordinariamente baixas de íons de chumbo na água. O dispositivo atinge um limite recorde de detecção de chumbo até a faixa femtomolar, que é um milhão de vezes mais sensível do que as tecnologias de detecção anteriores.



“Com a sensibilidade extremamente alta do nosso dispositivo, esperamos detectar até mesmo a presença de um íon de chumbo em um volume razoável de água”, disse Prabhakar Bandaru, professor do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da UC San Diego Jacobs. Escola de engenharia. “A exposição ao chumbo é um grave problema de saúde e foi indicado que uma concentração de chumbo ao nível de partes por mil milhões na água potável poderia levar a resultados perniciosos, como o atraso no crescimento e desenvolvimento humano.”

O trabalho é descrito em um artigo publicado recentemente na Nano Letters .

O dispositivo neste estudo consiste em uma única camada de grafeno montada em uma pastilha de silício. O grafeno, com sua notável condutividade e relação superfície-volume, oferece uma plataforma ideal para aplicações de detecção. Os pesquisadores aprimoraram as capacidades de detecção da camada de grafeno anexando uma molécula ligante à sua superfície. Este ligante serve como âncora para um receptor de íons e, em última análise, para os íons de chumbo.

Uma das principais características deste trabalho foi tornar o sensor altamente específico para detecção de íons de chumbo. Os pesquisadores usaram um aptâmero, que é uma fita curta e única de DNA ou RNA, como receptor de íons. Estas moléculas receptoras são conhecidas pela sua seletividade inerente em relação a íons específicos. Os pesquisadores aumentaram ainda mais a afinidade de ligação do receptor aos íons de chumbo, adaptando sua sequência de DNA ou RNA. Isso garantiu que o sensor só seria acionado após a ligação aos íons de chumbo.

Atingir o limite de detecção femtomolar foi possível estudando detalhadamente os eventos moleculares que ocorrem na superfície do sensor de grafeno. Os pesquisadores usaram uma combinação de técnicas experimentais e teóricas para monitorar a adesão gradual do ligante à superfície do grafeno, seguida pela ligação do receptor ao ligante e, finalmente, a ligação dos íons de chumbo ao receptor.

Os pesquisadores analisaram parâmetros termodinâmicos do sistema, como energias de ligação, mudanças na capacitância e conformações moleculares, e descobriram que eles desempenhavam papéis críticos na otimização do desempenho do sensor. Ao otimizar cada um desses parâmetros termodinâmicos, juntamente com o design de todo o sistema, desde a eletrônica e materiais até o receptor de íons, os pesquisadores criaram um sensor que pode detectar íons de chumbo com sensibilidade e especificidade sem precedentes.

Além da sua sensibilidade superior, o novo sensor possui outras vantagens sobre os métodos existentes. As técnicas tradicionais para detecção de chumbo com alta precisão e sensibilidade dependem frequentemente de instrumentação cara, o que limita a sua acessibilidade para uso generalizado. Enquanto isso, os kits caseiros, embora mais acessíveis, tendem a não ser confiáveis ​​e apresentam um limite de detecção relativamente baixo, normalmente dentro da faixa micromolar.

“A tecnologia que desenvolvemos visa superar as questões de custo e também de confiabilidade”, disse Bandaru. “Nosso objetivo é que ele seja eventualmente implantado em residências, dada a sua relativa facilidade de fabricação”.

Embora a tecnologia esteja atualmente em fase de prova de conceito, Bandaru espera um dia implementá-la em ambientes reais. Os próximos passos incluem o aumento da produção para uso comercial, o que exigirá a colaboração com parceiros da indústria.

Mais informações: Alex W. Lee et al, Rumo ao Limite Final da Detecção de Analitos, em Transistores de Efeito de Campo Baseados em Grafeno, Nano Letras (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04066
Informações do diário: Nanoletras

Fornecido pela Universidade da Califórnia - San Diego