科研人员开发了一种由石墨烯制成的超灵敏传感器，可检测水中浓度极低的铅离子，灵敏度是传统技术的100万倍，达到创纪录的飞摩尔级别检出极限。近日，相关成果发表于《纳米快报》。

长久以来，铅暴露是威胁人类健康的严重问题。有研究表明，饮用水中的铅达到1个ppb（10亿分之一）浓度，就可能导致生长发育缓慢等有害后果。因此，如何大幅提升铅检测的灵敏度备受关注。

目前，用于高精度和高灵敏度铅检测的传统技术通常依赖昂贵的仪器，这限制了广泛应用。家庭试剂盒虽然更易得，但往往不可靠。

石墨烯具有极佳的导电性和巨大的比表面积，为传感应用提供了理想平台。

该研究中的装置由安装在硅片上的单层石墨烯组成。美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校研究人员通过在石墨烯表面附着连接体分子增强传感能力，最终实现对铅离子的捕获。

科研人员使用了对特定离子具有特异选择性的核酸适配体，即一种短的单链DNA或RNA作为离子受体，通过调整DNA或RNA序列，进一步增强了受体与铅离子的结合力，使传感器仅在与铅离子结合时被触发。

由铅检测传感器芯片阵列组成的硅晶圆特写

同时，通过研究石墨烯传感器表面在分子尺度的反应过程，科研人员实现了飞摩尔检测极限。他们结合实验与理论研究，监测了连接体与石墨烯表面的逐步黏附、受体与连接体的结合，以及最终铅离子与受体的连接。

通过分析系统的结合能、电容变化、分子构象等热力学参数，科学家发现，这些参数在优化传感器性能方面发挥着关键作用。通过优化热力学参数以及系统设计，研究人员最终创造出这种灵敏度前所未有、特异性检测铅离子的传感器。

目前，这项技术还处于概念验证阶段。“希望有一天能在现实世界中实现它。”论文通讯作者、加利福尼亚大学圣地亚哥分校教授Prabhakar R. Bandaru表示，下一步需要与行业伙伴合作，扩大生产以供商业使用。

“鉴于相对容易制造，我们的最终目标是将其安装在家庭中。”Bandaru说，期待有朝一日，“哪怕水中只存在一个铅离子，也能被检测出来”。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04066 

信息来源：石墨烯黄页

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。