全球存在水危机，这不仅仅是清洁水供应减少的问题。受污染的饮用水使全世界数亿人接触细菌、重金属、杀虫剂和冠状病毒等毒素。这种污染危害公众健康并可能导致严重疾病。
来自美国能源部阿贡国家实验室、芝加哥大学普利兹克分子工程学院和威斯康星大学密尔沃基分校的研究人员团队设计了一种大规模制造能够同时检测铅、汞和大肠杆菌的传感器的途径。在流动的自来水中。该团队的创新有望通过提供污染早期预警来帮助保障公众健康。
“传统上，设计用于测量水中污染物的传感器存在可靠性问题，并且无法检测有故障的设备，”阿贡国家实验室科学家、芝加哥大学普利兹克分子工程学院的普海辉说。“改进的传感器可以避免健康危机。”
这些传感器的核心是一层一纳米厚的碳和氧原子层，这是一种石墨烯，涂在硅基板上。这种石墨烯材料的用途与计算机芯片中的半导体类似。然后将金电极压印到石墨烯表面，然后是纳米厚的氧化铝绝缘层。每个传感器都经过专门设计，可检测三种毒素之一：铅、汞或大肠杆菌。
大规模制造这些传感器的主要挑战之一是评估其质量。超薄绝缘层中可能会形成微小的不需要的孔隙区域。这种孔隙率允许来自底部石墨烯层的电子逃逸到顶部绝缘层中。这种泄漏会损害其作为绝缘体的有效性，并导致传感器响应不可靠。
该团队最近在《自然通讯》上发表的文章描述了一种在批量生产之前识别有缺陷设备的筛选方法。该方法涉及当传感器浸入水中时测量绝缘层的电响应。关键是屏蔽不会损坏传感器。通过采用这种技术，研究小组发现了绝缘层中的结构缺陷。然后他们能够建立标准来轻松检测有故障的设备。
为了证明其方法的有效性，该团队评估了一个三传感器阵列，该阵列能够同时检测流动自来水中的铅、汞和大肠杆菌。使用机器学习算法来分析结果，即使存在干扰元素，他们也能够将毒素水平量化到十亿分之一。
“传感器的美妙之处在于，你可以将它们应用于任何形式的水，而不仅仅是自来水，”阿贡国家实验室首席水策略师兼普利兹克分子工程学院王室教授陈俊宏说。“更重要的是，你可以组合三个、三十或三百个传感器，每个传感器都经过定制以检测不同的成分。” 这些不仅包括重金属和细菌，还包括药物、杀虫剂、冠状病毒以及水中的常见污染物、全氟烷基物质和多氟烷基物质。它们还可能包括关键资源，例如用于电池的钴以及作为动植物营养物质的氮和磷。
一旦发现并去除有问题或有价值的元素，传感器即可用于评估处理后水的清洁度。研究结果可以指导水的安全再利用，包括饮用水使用、农业和灌溉、地下水补给和工业过程。
陈表示希望通过他创办的一家初创公司将这项技术商业化。“但是水污染造成了全球健康问题，需要集体努力，” 他说。
该团队的筛选方法为监测水质和优化其安全再利用提供了一种多功能工具。当科学家们解决这个关键问题时，他们的努力成为了实现更健康、更可持续的未来的希望灯塔。
这项研究发表在《自然通讯》上。来自阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的贡献者包括 Pu、Chen 和 Xiaoyu Sui。来自威斯康星大学密尔沃基分校的贡献者包括 Arnab Maity、Jingbo Chang、Kai Bottum、Bing Jin、Guihua Zhou、Yale Wang 和 Ganhua Lu。
这项研究得到了阿贡实验室定向研究与开发计划和国家科学基金会的支持。
资料来源：https: //www.anl.gov/
本文来自AZO，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
