Sensor Timbal Berbasis Graphene Mencetak Rekor Sensitivitas Baru untuk Keamanan Air
Universitas California, San Diego
Pengaturan eksperimental terdiri dari satu chip sensor yang mendeteksi ion timbal dalam setetes air. (Gambar:Atas perkenan Bandaru Lab/UC San Diego)
Para insinyur di Universitas California San Diego telah mengembangkan sensor ultra-sensitif yang terbuat dari graphene yang dapat mendeteksi konsentrasi ion timbal dalam air yang sangat rendah. Perangkat ini mencapai rekor batas deteksi timbal hingga rentang femtomolar, yang satu juta kali lebih sensitif dibandingkan teknologi penginderaan sebelumnya.
“Dengan sensitivitas perangkat kami yang sangat tinggi, kami pada akhirnya berharap dapat mendeteksi keberadaan satu ion timbal dalam volume air yang wajar,” kata Prabhakar Bandaru, profesor di Departemen Teknik Mesin dan Dirgantara di UC San Diego Jacobs School of Engineering. “Paparan timbal merupakan masalah kesehatan yang serius, dan terdapat indikasi bahwa konsentrasi timbal pada tingkat bagian per miliar dalam air minum dapat menyebabkan dampak buruk, seperti terhambatnya pertumbuhan dan perkembangan manusia.”
Perangkat dalam penelitian ini terdiri dari satu lapisan graphene yang dipasang pada wafer silikon. Graphene, dengan konduktivitas dan rasio permukaan terhadap volume yang luar biasa, menawarkan platform ideal untuk aplikasi penginderaan. Para peneliti meningkatkan kemampuan penginderaan lapisan graphene dengan menempelkan molekul penghubung ke permukaannya. Penghubung ini berfungsi sebagai jangkar bagi reseptor ion dan, pada akhirnya, ion timbal.
Salah satu fitur utama dari pekerjaan ini adalah membuat sensor menjadi sangat spesifik untuk mendeteksi ion timbal. Para peneliti menggunakan aptamer, yang merupakan untaian pendek DNA atau RNA, sebagai reseptor ion. Molekul reseptor ini dikenal karena selektivitasnya terhadap ion tertentu. Para peneliti selanjutnya meningkatkan afinitas pengikatan reseptor terhadap ion timbal dengan menyesuaikan urutan DNA atau RNA-nya. Hal ini memastikan bahwa sensor hanya akan terpicu saat berikatan dengan ion timbal.
Pencapaian batas deteksi femtomolar dimungkinkan dengan mempelajari secara rinci peristiwa molekuler yang terjadi pada permukaan sensor graphene. Para peneliti menggunakan kombinasi teknik eksperimental dan teoritis untuk memantau adhesi bertahap dari linker ke permukaan graphene, diikuti oleh pengikatan reseptor ke linker, dan terakhir, pengikatan ion timbal ke reseptor.
Para peneliti menganalisis parameter termodinamika sistem seperti energi pengikatan, perubahan kapasitansi, dan konformasi molekuler dan menemukan bahwa parameter tersebut memainkan peran penting dalam mengoptimalkan kinerja sensor. Dengan mengoptimalkan masing-masing parameter termodinamika ini, serta desain keseluruhan sistem, mulai dari elektronik dan material hingga reseptor ion, para peneliti menciptakan sensor yang dapat mendeteksi ion timbal dengan sensitivitas dan spesifisitas yang belum pernah ada sebelumnya.
Selain sensitivitasnya yang unggul, sensor baru ini memiliki keunggulan lain dibandingkan metode yang ada. Teknik tradisional untuk mendeteksi timbal dengan akurasi dan sensitivitas tinggi sering kali bergantung pada instrumentasi yang mahal, sehingga membatasi aksesibilitasnya untuk digunakan secara luas. Sementara itu, peralatan rumah tangga, meskipun lebih mudah diakses, cenderung tidak dapat diandalkan dan menunjukkan batas deteksi yang relatif buruk, biasanya dalam rentang mikromolar.
“Teknologi yang kami kembangkan bertujuan untuk mengatasi permasalahan biaya dan keandalan,” kata Bandaru. “Tujuan kami adalah agar produk ini dapat digunakan di rumah-rumah, mengingat kemudahan pembuatannya.”
Meskipun teknologinya saat ini berada pada tahap pembuktian konsep, Bandaru berharap suatu hari nanti dapat menerapkannya di dunia nyata. Langkah berikutnya termasuk meningkatkan produksi untuk penggunaan komersial, yang memerlukan kolaborasi dengan mitra industri.
Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Liezel Labios di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya..
