Uso de grafeno en sensores de agua para mejorar la detección de contaminación

En este artículo, nos centramos en el uso de grafeno en sensores de agua y exploramos cómo estos sensores detectan contaminantes comunes, incluidos metales pesados, microbios y pH irregular.

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Se utilizan diferentes tipos de sensores en la evaluación continua y discontinua de la calidad del agua en diversas aplicaciones, midiendo una amplia gama de propiedades. Los materiales con los que se construyen estos sensores, especialmente durante el monitoreo continuo, deben ser duraderos y resistentes y, lo más importante, no deben contaminar el suministro de agua.

La alta robustez mecánica, química y electrónica de los sensores de grafeno monocapa o multicapa ha otorgado a este material aplicaciones prometedoras en la detección de contaminantes comunes en el agua.

¿Cómo funcionan los sensores de grafeno?

El grafeno está compuesto de carbono dispuesto en una red hexagonal plana, con cada carbono unido a sus tres vecinos más cercanos mediante enlaces σ y un enlace ∏ deslocalizado, lo que permite que las láminas se apilen a lo largo del eje z. Las láminas de grafeno son flexibles y se pueden doblar en la forma deseada manteniendo propiedades de alta resistencia.

La red electrónica deslocalizada del grafeno lo convierte en un excelente conductor eléctrico con aplicaciones en la electrónica moderna.

La mayoría de los sensores de grafeno suelen aprovechar esta conductividad innata pasando una carga constante a través de una lámina de grafeno y midiendo la corriente que llega al otro lado, obteniendo así una indicación de la resistencia de la lámina.

Cuando las moléculas, preferiblemente en un medio líquido, se adsorben en la superficie de alta energía de la lámina de grafeno, provocan un cambio en la resistencia debido a cambios en la disposición electrónica. De esta forma se puede deducir el tipo y la cantidad de moléculas adsorbidas en la superficie.

Las muchas propiedades nuevas del grafeno se pueden explotar en otros diseños de sensores, como los destinados a detectar cambios en el magnetismo, el campo electrónico y la aplicación de presión, aunque estos son menos relevantes para el seguimiento de la calidad del agua.

Por lo general, se realizan modificaciones químicas adicionales a la lámina de grafeno para adaptar su función de detección a un rango único o estrecho de parámetros, como la presencia de contaminantes de metales pesados, el pH o la invasión microbiana.

A continuación se analizarán con más detalle algunas de las formas específicas en las que los sensores de agua basados ​​en grafeno se han adaptado para sus fines.

¿Cómo detectan los sensores de grafeno el pH?

El pH puede ser indicativo de los niveles de contaminación en un suministro de agua. Se puede detectar mediante sensores de grafeno como exceso de H⁺ y O.H.^– Los iones en estrecho contacto con la superficie del sensor influyen en las propiedades electrónicas del grafeno. Específicamente, esto ocurre debido al efecto de activación electrostática, en el que H⁺ Los iones cercanos a la superficie del grafeno atraerán electrones y OH^– los iones atraerán los huecos de los electrones. h⁺ la adsorción de iones disminuye la conductancia, mientras que el OH^– la adsorción iónica lo aumenta. Este fenómeno se puede aprovechar en la detección de diversas especies cargadas, como iones y sales de metales pesados, aunque a menudo requiere alguna modificación de la superficie del sensor de grafeno para promover la interacción.

¿Cómo funcionan los sensores de metales pesados ​​de grafeno?

Los metales pesados ​​son un contaminante común del agua, y las actividades antropogénicas están cada vez más vinculadas a la presencia de metales pesados ​​en los suministros de agua.

zhang et al. (2010) funcionalizaron grafeno de una sola hoja con 1-octadecanotiol, que se autoensambló en el plano con la superficie del grafeno. Cuando se expone a sólo 10 ppm Hg²⁺ Una fuerte interacción con los grupos tiol de estas moléculas provoca un desplazamiento positivo del punto de Dirac, el punto de transición entre las bandas de valencia y conducción.

Asimismo, Wang et al. (2016) unieron cadenas de ácido nucleico al grafeno de forma no covalente mediante la introducción de un grupo pireno aromático en el extremo 5′ que se mantuvo electrostáticamente en el orbital p de carbono del grafeno, en este caso detectando Pb.²⁺exclusivamente en presencia de varios otros iones, incluido Na²⁺K+, Mg²⁺y eso²⁺y provocar un cambio a valores de Dirac negativos tras una vinculación exitosa.

La razón de la selectividad exhibida por ciertas moléculas hacia iones específicos tiene que ver en gran medida con diferencias en la carga iónica y el radio atómico, ya que se relacionan con la disposición atómica de la molécula sonda.

¿Cómo detectan los microbios los sensores de grafeno?

Se sabe que los suministros de agua contaminados con microbios son peligrosos para la salud y contribuyen a enfermedades infecciosas en todo el mundo.

chang et al. (2014) pudieron adaptar sensores de grafeno para detectar E. coli funcionalizando de forma no covalente la superficie con nanopartículas de oro decoradas con glutaraldehído, a las que se les aplica E. coli Anticuerpo O157. Este anticuerpo se une a los antígenos de la pared celular bacteriana, que lleva una ligera carga negativa.

Una vez suficiente E. coli Las células se han acumulado en la superficie, la carga negativa acumulada provoca un cambio en la conductancia, indicando así la presencia de esa cepa específica de bacterias. En una aplicación similar, Thakur mejoró aún más la sensibilidad de este tipo de sensor de grafeno. et al. (2018) pasivando la superficie del sensor con Al rico en electrones₂Oh₃. Esto disminuye la concentración de portadores de carga en el canal durante la acumulación de E. coliactuando como puerta de carga.

El cambio en el comportamiento de las propiedades del semiconductor tipo p del sensor sólo se produjo en un momento suficiente. E. coli concentración, lo que indica que se ha alcanzado un umbral mínimo. La especificidad hacia cepas particulares de bacterias o incluso virus se confiere mediante la modificación del anticuerpo utilizado en la sonda, o mediante otra modificación química, que potencialmente permita detectar cualquier variedad de microorganismos. Por ejemplo, Li y otros. (2021) combinaron grafeno con materiales MXene y anticuerpos específicos de la influenza para la detección de virus, logrando una resolución de solo 125 copias de virus por ml de medio.

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Referencias y lecturas adicionales

Zubiarrain-Laserna, A. & Kruse, P. (2020). Revisión: sensores de calidad del agua a base de grafeno. Revista de la Sociedad Electroquímica, 167(3), pág. 037539. doi.org/10.1149/1945-7111/ab67a5

Li, Y., y otros. (2021). Detección del transistor de efecto de campo MXene-Grafeno del virus de la influenza y SARS-CoV-2. ACS Omega, 6(10), páginas 6643 a 6653. doi.org/10.1021/acsomega.0c05421

Zhang, T., y otros. (2010). Monocapas de 1-octadecanotiol autoensambladas sobre grafeno para la detección de mercurio. Nano letras, 10, pág. 4738.

Chang, J., y otros. (2014). Sensores basados ​​en grafeno para la detección de metales pesados ​​en agua: una revisión. Química analítica y bioanalítica., 406, pág. 3957.

Thakur, B., et al. (2018). Detección rápida de un solo E. coli bacterias utilizando un dispositivo transistor de efecto de campo basado en grafeno. Biosensores y bioelectrónica, 110, pág. dieciséis.

Zamora-Ledezma y otros. (2021) Contaminación del agua por metales pesados: una nueva mirada a los peligros, métodos de saneamiento nuevos y convencionales. Tecnología e innovación ambiental.22. doi.org/10.1016/j.eti.2021.101504

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