一种基于石墨烯场效应晶体管的新型水质传感器。阿贡国家实验室
据世界卫生组织称，每年有数十万人因饮用不安全的水而死亡。例如，由细菌污染传播的腹泻估计每年导致超过50万人死亡。饮用水中的有毒重金属，如砷、铅和汞，也构成巨大的健康风险。世界卫生组织表示，气候变化只会加剧与水有关的疾病的风险。
能够准确快速检测此类污染物的传感器可以预防许多水源性疾病和死亡。现在，工程师们已经开发出一种批量生产高性能石墨烯传感器的方法，可以检测流动自来水中的重金属和细菌。《自然通讯》报道的这一进展可以将此类传感器的成本降低至每个1美元，使人们能够在家中检测饮用水中的毒素。
传感器必须非常灵敏，才能捕捉到可能造成伤害的微小浓度的毒素。例如，美国食品和药物管理局规定瓶装水的铅浓度不得超过十亿分之五。
芝加哥大学分子工程学教授陈俊宏表示，如今，只有通过在实验室分析水样才能检测出十亿分之一甚至万亿分之一浓度的重金属、细菌和其他毒素。以及阿贡国家实验室的首席水策略师。但他的团队开发了一种带有石墨烯场效应晶体管（FET）的传感器，可以在几秒钟内检测出如此低水平的毒素。
该传感器基于纳米厚的半导体氧化石墨烯片，充当FET源极和漏极之间的通道；栅电极控制通过通道的电流。将石墨烯片沉积在硅晶片上，然后将金电极印刷在石墨烯片上，然后是纳米厚的氧化铝绝缘层，以将栅电极与半导体沟道分开。
研究人员将化学和生物分子附着在石墨烯表面，这些分子将与所需的目标结合——在本例中是大肠杆菌以及重金属铅和汞。即使最少量的污染物附着在石墨烯上，其电导率也会发生变化，变化的幅度与毒素的浓度相关。
该设备使用具有三个不同传感器的阵列，每个传感器对应一种污染物，以测量流动水中万亿分之一的浓度。陈说，机器学习算法有助于区分污染物。“它的响应速度非常快，就像任何其他FET一样，因此您可以立即看到结果。此外，它的成本可能较低，因为FET是一种经济高效且可扩展的技术，[已在计算机、笔记本电脑和手机中使用]。”
他说，制造具有可靠、一致性能的传感器是一个重大挑战。这是因为绝缘氧化铝层可能存在缺陷，从而捕获电荷并降低性能。
因此，陈和他的同事想出了一种使用非侵入式流程检测有缺陷设备的方法。当传感器浸入水中时，他们使用阻抗谱（一种涉及在几赫兹到几万赫兹频率范围内施加交流电压的技术）对其进行测试，并测量通过设备的电流。这使他们能够检测氧化铝中的结构缺陷。
“每个晶圆上都有数百个传感器芯片，”陈说。“在未来的制造中，我们可以引入这个质量控制步骤来筛选出不良设备并挑选出质量好的设备。”
该团队现在正试图通过一家名为Nanoaffix Science的初创公司将该技术商业化。“我们希望推出的第一个产品是一款手持设备，可以让人们直接从水龙头测试饮用水质量，”陈说。
该手持设备将具有可更换的一次性石墨烯传感器。他说，虽然该传感器目前的成本约为10美元，但随着规模的扩大，它最终应该会降至1美元。他的团队还在研究去除石墨烯中污染物的方法，以使传感器可重复使用。“原则上这是可行的，”陈说。“未来，你可以想象在水龙头或水表上安装这种类型的传感器来持续监测水质。”
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