Sensor de chumbo baseado em grafeno estabelece novo recorde de sensibilidade para segurança hídrica

Universidade da Califórnia, San Diego
Configuração experimental que consiste em um chip sensor que detecta íons de chumbo em uma gota d'água. (Imagem:Cortesia de Bandaru Lab/UC San Diego)
Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um sensor ultrassensível feito de grafeno que pode detectar concentrações extraordinariamente baixas de íons de chumbo na água. O dispositivo atinge um limite recorde de detecção de chumbo até a faixa femtomolar, que é um milhão de vezes mais sensível do que as tecnologias de detecção anteriores.

“Com a sensibilidade extremamente alta do nosso dispositivo, esperamos detectar até mesmo a presença de um íon de chumbo em um volume razoável de água”, disse Prabhakar Bandaru, professor do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Escola de Engenharia UC San Diego Jacobs. “A exposição ao chumbo é um grave problema de saúde e foi indicado que uma concentração de chumbo ao nível de partes por mil milhões na água potável poderia levar a resultados perniciosos, como o atraso no crescimento e desenvolvimento humano.”

O dispositivo neste estudo consiste em uma única camada de grafeno montada em uma pastilha de silício. O grafeno, com sua notável condutividade e relação superfície-volume, oferece uma plataforma ideal para aplicações de detecção. Os pesquisadores aprimoraram as capacidades de detecção da camada de grafeno anexando uma molécula ligante à sua superfície. Este ligante serve como âncora para um receptor de íons e, em última análise, para os íons de chumbo.

Uma das principais características deste trabalho foi tornar o sensor altamente específico para detecção de íons de chumbo. Os pesquisadores usaram um aptâmero, que é uma fita curta e única de DNA ou RNA, como receptor de íons. Estas moléculas receptoras são conhecidas pela sua seletividade inerente em relação a íons específicos. Os investigadores aumentaram ainda mais a afinidade de ligação do receptor aos iões de chumbo, adaptando a sua sequência de ADN ou ARN. Isso garantiu que o sensor só seria acionado após a ligação aos íons de chumbo.

Alcançar o limite de detecção femtomolar foi possível estudando detalhadamente os eventos moleculares que ocorrem na superfície do sensor de grafeno. Os pesquisadores usaram uma combinação de técnicas experimentais e teóricas para monitorar a adesão gradual do ligante à superfície do grafeno, seguida pela ligação do receptor ao ligante e, finalmente, a ligação dos íons de chumbo ao receptor.

Os pesquisadores analisaram parâmetros termodinâmicos do sistema, como energias de ligação, mudanças na capacitância e conformações moleculares, e descobriram que eles desempenhavam papéis críticos na otimização do desempenho do sensor. Ao otimizar cada um desses parâmetros termodinâmicos, juntamente com o design de todo o sistema, desde a eletrônica e materiais até o receptor de íons, os pesquisadores criaram um sensor que pode detectar íons de chumbo com sensibilidade e especificidade sem precedentes.

Além da sua sensibilidade superior, o novo sensor possui outras vantagens sobre os métodos existentes. As técnicas tradicionais para detecção de chumbo com alta precisão e sensibilidade dependem frequentemente de instrumentação cara, o que limita a sua acessibilidade para uso generalizado. Enquanto isso, os kits caseiros, embora mais acessíveis, tendem a não ser confiáveis ​​e apresentam um limite de detecção relativamente baixo, normalmente dentro da faixa micromolar.

“A tecnologia que desenvolvemos visa superar as questões de custo e também de confiabilidade”, disse Bandaru. “Nosso objetivo é que ele seja eventualmente implantado em residências, dada a sua relativa facilidade de fabricação.”

Embora a tecnologia esteja atualmente em fase de prova de conceito, Bandaru espera um dia implementá-la em ambientes reais. Os próximos passos incluem o aumento da produção para uso comercial, o que exigirá a colaboração com parceiros da indústria.

Para mais informações, entre em contato com Liezel Labios em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa ter o JavaScript habilitado para visualizá-lo.