Как спроектировать надежный датчик для безопасной питьевой воды за 1 доллар

Jun 30, 2023

По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно сотни тысяч людей умирают от употребления небезопасной воды. Например, по оценкам, диарея, передаваемая в результате бактериального заражения, ежегодно становится причиной более 500 000 смертей. Токсичные тяжелые металлы в питьевой воде, такие как мышьяк, свинец и ртуть, также представляют огромный риск для здоровья. По мнению ВОЗ, изменение климата только усугубит риски заболеваний, связанных с водой.

Датчики, которые могут точно и быстро обнаруживать такие загрязнители, могут предотвратить многие заболевания и смерти, передающиеся через воду. Теперь инженеры разработали путь к массовому производству высокопроизводительных графеновых датчиков, которые могут обнаруживать тяжелые металлы и бактерии в текущей водопроводной воде. Это достижение, как сообщает Nature Communications, может снизить стоимость таких датчиков всего до 1 доллара США за каждый, что позволит людям проверять свою питьевую воду на наличие токсинов дома.

Датчики должны быть чрезвычайно чувствительными, чтобы улавливать мельчайшие концентрации токсинов, которые могут причинить вред. Например, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США утверждает, что вода в бутылках должна иметь концентрацию свинца не более 5 частей на миллиард.

Сегодня обнаружить концентрации тяжелых металлов, бактерий и других токсинов в частях на миллиард или даже в частях на триллион можно только путем анализа проб воды в лаборатории, говорит Джунхонг Чен, профессор молекулярной инженерии Чикагского университета. и ведущий специалист по водным стратегиям Аргоннской национальной лаборатории. Но его группа разработала датчик с графеновым полевым транзистором (FET), который может обнаруживать токсины на таких низких уровнях в течение нескольких секунд.

Датчик основан на полупроводниковом листе оксида графена толщиной в нанометры, который действует как канал между электродами истока и стока в полевом транзисторе; электрод затвора контролирует ток через канал. Листы графена наносятся на кремниевую пластину, затем на листах печатаются золотые электроды, а затем наносится изолирующий слой из оксида алюминия нанометровой толщины, чтобы отделить электрод затвора от полупроводникового канала.

Исследователи прикрепляют к поверхности графена химические и биологические молекулы, которые связываются с желаемыми целями — в данном случае с бактериями E. coli и тяжелыми металлами, свинцом и ртутью. Когда даже малейшее количество загрязняющих веществ прикрепляется к графену, его проводимость меняется, причем величина изменения коррелирует с концентрацией токсинов.

Устройство использует матрицу с тремя различными датчиками, по одному на каждый загрязнитель, для измерения концентрации частей на триллион в проточной воде. Алгоритмы машинного обучения помогают различать загрязняющие вещества, говорит Чен. «Его отклик очень быстрый, как и у любого другого полевого транзистора, поэтому вы можете сразу увидеть результаты. Кроме того, это потенциально дешево, поскольку FET — это экономичная и масштабируемая технология, [которая уже используется] в компьютерах, ноутбуках и мобильных телефонах».

По его словам, производство датчиков с надежными и стабильными характеристиками было серьезной проблемой. Это связано с тем, что изолирующий слой оксида алюминия может иметь дефекты, которые задерживают заряды и ухудшают характеристики.

Поэтому Чен и его коллеги придумали способ обнаружения неисправных устройств с помощью неинтрузивного процесса. Пока датчики погружаются в воду, они проверяют их с помощью импедансной спектроскопии — метода, который включает в себя подачу переменного напряжения на частотах от нескольких герц до нескольких десятков тысяч герц — и измерение тока через устройства. Это позволяет им обнаруживать структурные дефекты в оксиде алюминия.

«На каждой пластине будут сотни сенсорных чипов», — говорит Чен. «В будущем производстве мы можем ввести этот этап контроля качества, чтобы отсеивать плохие устройства и выбирать устройства хорошего качества».

Сейчас команда пытается коммерциализировать технологию через стартап под названием Nanoaffix Science. «Первый продукт, который мы надеемся представить, — это портативное устройство, которое позволит людям проверять качество питьевой воды прямо из-под крана», — говорит Чен.