Сенсор стоимостью $1 для контроля безопасности питьевой воды

Изменение климата, по мнению ВОЗ, усугубит опасность заболеваний, связанных с питьевой водой. Сенсоры, способные точно и быстро обнаруживать загрязняющие вещества, могли бы предотвратить многие заболевания и смерти, передающиеся через воду.

Недавно ученые разработали способ массового производства высокоэффективных графеновых датчиков, способных обнаруживать тяжелые металлы и бактерии в проточной водопроводной воде. Это достижение, о котором сообщается в журнале Nature Communications, может снизить стоимость таких датчиков всего до $1 за штуку, что позволит людям проверять питьевую воду на наличие токсинов в домашних условиях.

Подобные сенсоры должны быть чрезвычайно чувствительными, чтобы улавливать мельчайшие концентрации токсинов, способные причинить вред. Например, согласно требованиям Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, концентрация свинца в бутилированной воде должна составлять не более 5 частей на миллиард. Но сегодня обнаружение концентраций тяжелых металлов, бактерий и других токсинов, составляющих доли миллиарда или даже доли триллиона, возможно только при лабораторном анализе проб воды.

Группа ученых из Чикагского университета (США) разработала сенсор на графеновом полевом транзисторе, который позволяет обнаруживать токсины на таких низких уровнях в течение нескольких секунд.

В основе сенсора лежит полупроводящий лист оксида графена нанометровой толщины, который выполняет роль канала между электродами в транзисторе. Кроме того, в системе есть затворный электрод, который управляет током через канал. Графеновые листы осаждаются на кремниевую пластину, затем на них печатаются золотые электроды, после чего наносится изоляционный слой оксида алюминия толщиной в нанометр, отделяющий затворный электрод от полупроводникового канала.

Исследователи прикрепляют к поверхности графена химические и биологические молекулы, которые связываются с нужными мишенями, в данном случае с бактериями кишечной палочки и тяжелыми металлами — свинцом и ртутью. Когда к графену прикрепляется даже мельчайшее количество загрязняющих веществ, его проводимость изменяется, причем величина изменения коррелирует с концентрацией токсинов.

В устройстве используется матрица из трех различных датчиков, по одному на каждое загрязняющее вещество, что позволяет измерять его концентрацию в проточной воде в долях триллиона. Различать загрязняющие вещества помогают алгоритмы машинного обучения. Реакция сенсора очень быстрая, поэтому результаты можно увидеть сразу. Кроме того, он потенциально дешев, поскольку это экономичная и масштабируемая технология, которая уже используется в компьютерах и мобильных телефонах.

При этом изготовление датчиков с надежными и стабильными характеристиками было для разработчиков серьезной проблемой. Это связано с тем, что изолирующий слой оксида алюминия может иметь дефекты, которые захватывают заряды и ухудшают характеристики.

Поэтому ученые придумали способ выявления неисправных устройств с помощью неинтрузивного метода. Когда датчики погружены в воду, они проверяют их с помощью импедансной спектроскопии — метода, который заключается в подаче переменного напряжения с частотой от нескольких герц до нескольких десятков тысяч герц и измерении тока через устройства. Это позволяет обнаружить структурные дефекты в оксиде алюминия.

В настоящее время команда пытается коммерциализировать технологию через стартап под названием Nanoaffix Science. Портативное устройство будет оснащено сменным графеновым сенсором одноразового использования. В настоящее время стоимость датчика составляет около 10 долларов США, но при расширении масштабов производства его цена должна снизиться до 1 доллара. Ученые также изучают способы удаления загрязнений из графена, чтобы сделать датчики многоразовыми.