Gli ingegneri dell’Università della California a San Diego hanno sviluppato un sensore ultrasensibile realizzato con grafene in grado di rilevare concentrazioni straordinariamente basse di ioni di piombo nell’acqua. Il dispositivo raggiunge un limite record di rilevamento del piombo fino al range femtomolare, che è un milione di volte più sensibile rispetto al rilevamento precedente tecnologie.
Illustrazione del dispositivo. L’inserto mostra la modifica superficiale del singolo strato di grafene con un linker, che ancora un recettore ionico che lega esclusivamente gli ioni di piombo. Credito immagini: Bandaru Lab/UC San Diego
“Con la sensibilità estremamente elevata del nostro dispositivo, speriamo in definitiva di rilevare anche la presenza di uno ione di piombo in un volume ragionevole di acqua”, ha affermato Prabhakar Bandaru, professore presso il Dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale dell’UC San Diego Jacobs. Scuola di Ingegneria. “L’esposizione al piombo è un serio problema per la salute, ed è stato indicato che una concentrazione di piombo al livello di parti per miliardo nell’acqua potabile potrebbe portare a risultati dannosi, come un rallentamento della crescita e dello sviluppo umano”.
Il lavoro è descritto in un articolo pubblicato di recente su Nanolettere.
Il dispositivo in questo studio è costituito da un singolo strato di grafene montato su un wafer di silicio. Il grafene, con la sua notevole conduttività e rapporto superficie-volume, offre una piattaforma ideale per applicazioni di rilevamento. I ricercatori hanno migliorato le capacità di rilevamento dello strato di grafene attaccando una molecola di collegamento alla sua superficie. Questo linker funge da ancoraggio per un recettore ionico e, in definitiva, per gli ioni piombo.
Una delle caratteristiche principali di questo lavoro è stata quella di rendere il sensore altamente specifico per il rilevamento degli ioni di piombo. I ricercatori hanno utilizzato un aptamero, che è un breve filamento singolo di DNA o RNA, come recettore ionico. Queste molecole recettoriali sono note per la loro intrinseca selettività verso ioni specifici. I ricercatori hanno ulteriormente migliorato l’affinità di legame del recettore per gli ioni piombo adattandone la sequenza di DNA o RNA. Ciò garantiva che il sensore venisse attivato solo dopo il legame con gli ioni di piombo.
Il raggiungimento del limite di rilevamento femtomolare è stato reso possibile studiando in dettaglio gli eventi molecolari che si verificano sulla superficie del sensore in grafene. I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di tecniche sperimentali e teoriche per monitorare l’adesione graduale del linker alla superficie del grafene, seguita dal legame del recettore al linker e, infine, l’attaccamento degli ioni di piombo al recettore.
I ricercatori hanno analizzato i parametri termodinamici del sistema come le energie di legame, i cambiamenti nella capacità e le conformazioni molecolari e hanno scoperto che giocavano un ruolo fondamentale nell’ottimizzazione delle prestazioni del sensore. Ottimizzando ciascuno di questi parametri termodinamici, insieme alla progettazione dell’intero sistema, dall’elettronica e dai materiali fino al recettore ionico, i ricercatori hanno creato un sensore in grado di rilevare gli ioni di piombo con sensibilità e specificità senza precedenti.
Configurazione sperimentale del dispositivo che rileva gli ioni di piombo in una goccia d’acqua. Credito immagine: UCSD
“Il lavoro ha davvero esemplificato la collaborazione e la sinergia tra tutti i contributori”, ha affermato Bandaru. “Le considerazioni e i protocolli fondamentali sul dispositivo sono stati stabiliti da Yongliang Dong, che attualmente lavora presso LAM Corporation. Deependra Ban, un brillante biochimico, ha progettato gli aptameri all’avanguardia utilizzati per il rilevamento del piombo. Le acute intuizioni di Shreyam Natani e il lavoro di microscopia a forza atomica hanno prodotto nuove prospettive. Alex Lee, l’autore principale, ha portato avanti il lavoro sperimentale con incrollabile tenacia”.
Oltre alla sensibilità superiore, il nuovo sensore presenta altri vantaggi rispetto ai metodi esistenti. Le tecniche tradizionali per rilevare il piombo con elevata precisione e sensibilità spesso si affidano a strumentazioni costose, che ne limitano l’accessibilità per un uso diffuso. Nel frattempo, i kit domestici, sebbene più accessibili, tendono ad essere inaffidabili e mostrano un limite di rilevamento relativamente basso, tipicamente entro l’intervallo micromolare.
“La tecnologia che abbiamo sviluppato mira a superare i problemi di costo e affidabilità”, ha affermato Bandaru. “Il nostro obiettivo è che venga eventualmente utilizzato nelle case, data la sua relativa facilità di produzione”.
Sebbene la tecnologia sia attualmente in fase di prova di concetto, Bandaru spera un giorno di implementarla in contesti del mondo reale. I prossimi passi includono l’aumento della produzione per uso commerciale, che richiede la collaborazione con i partner del settore.
Fonte: UCSD
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