Spurenelemente lassen sich nicht genau messen? Dieser Graphensensor hat eine millionenfach höhere Empfindlichkeit!

Popular Science Times (Praktikant Wang Yuke) Ingenieure der University of California, San Diego, haben einen hochempfindlichen Sensor aus Graphen entwickelt, der extrem niedrige Konzentrationen von Bleiionen in Wasser erkennen kann.

Das Gerät erreicht eine Nachweisgrenze für Blei im Femtomolarbereich und ist damit 1 Million Mal empfindlicher als bisherige Technologien. Dieses wissenschaftliche Forschungsergebnis wurde kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift Nano Express veröffentlicht.

Bleibelastung ist ein ernstes Gesundheitsproblem. Experten weisen darauf hin, dass Bleikonzentrationen im Trinkwasser, die ein Teil pro Milliarde erreichen, das menschliche Wachstum und die Entwicklung beeinträchtigen können.

Das Gerät in dieser Studie besteht aus einer einzelnen Graphenschicht, die auf einem Silizium-Wafer montiert ist. Graphen verfügt über eine bemerkenswerte elektrische Leitfähigkeit und ein hervorragendes Oberflächen-Volumen-Verhältnis und bietet somit eine ideale Plattform für Sensoranwendungen. Die Forscher verbesserten die Sensorfähigkeiten von Graphenschichten, indem sie Moleküle an ihrer Oberfläche anbrachten.

Als Ionenrezeptoren nutzten die Forscher Aptamere, also kurze einzelsträngige DNA (Desoxyribonukleinsäure) oder RNA (Ribonukleinsäure). Die Bindungsaffinität der Rezeptoren für Bleiionen wurde durch Anpassung der DNA- oder RNA-Sequenz weiter erhöht, wodurch sichergestellt wurde, dass der Sensor nur bei Bindung an Bleiionen ausgelöst wird.

Die Forscher analysierten auch die thermodynamischen Parameter des Systems, wie Bindungsenergie, Kapazitätsänderung und Molekülkonformation, und stellten fest, dass diese eine Schlüsselrolle bei der Optimierung der Sensorleistung spielten. Durch die Optimierung jedes thermodynamischen Parameters sowie des Designs des gesamten Systems – von der Elektronik und den Materialien bis hin zu den Ionenrezeptoren – haben die Forscher einen Sensor geschaffen, der Bleiionen mit beispielloser Empfindlichkeit und Spezifität erkennen kann.

Die Technologie sei darauf ausgelegt, Kosten- und Zuverlässigkeitsprobleme zu überwinden, sagte der Autor des Artikels, Bandarushi. Da es relativ einfach herzustellen ist, ist unser oberstes Ziel die Verwendung im Privatbereich.