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 durante la evaluación continua de la calidad del agua en diferentes aplicaciones, midiendo una variedad de características. Los materiales con los que están fabricados estos sensores, especialmente durante el monitoreo continuo, deben ser duraderos y resistentes y, lo más importante, no deben transferir contaminantes al propio suministro de agua.
La alta robustez mecánica, química y electrónica de los sensores de grafeno de una o varias capas ha brindado a estos materiales aplicaciones prometedoras para detectar contaminantes comunes del agua.
¿Cómo funcionan los sensores de grafeno?
El grafeno consiste en carbono dispuesto en una red hexagonal plana, con cada carbono unido a sus tres vecinos más cercanos mediante enlaces σ y un enlace ∏ no local, 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 las formas deseadas 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 haciendo pasar una carga estática 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 una 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 partículas adsorbidas en la superficie.
Las muchas propiedades nuevas del grafeno pueden explotarse en otros diseños de sensores, como los destinados a detectar cambios en el magnetismo, los campos electrónicos y la presión aplicada, aunque son menos relevantes para el monitoreo de la calidad del agua.
Por lo general, se realizan algunas modificaciones químicas adicionales a la lámina de grafeno para adaptar su función de detección a un conjunto único o pequeño de parámetros, como la presencia de contaminantes de metales pesados, el pH o la invasión microbiana.
A continuación se analizarán con más detalle algunas formas específicas en las que los sensores de agua basados en grafeno se han adaptado para su propósito.
¿Cómo detectan los sensores de grafeno el pH?
El pH puede ser una indicación de los niveles de contaminación de un suministro de agua. Se puede detectar con sensores de grafeno como un aumento de H+ y oh– Los iones que están en estrecho contacto con la superficie del sensor afectan las propiedades electrónicas del grafeno. Específicamente, esto ocurre debido al efecto de activación electrostática, por el cual H+ Los iones cerca de la superficie del grafeno atraerán electrones y OH– Los iones atraerán los huecos de los electrones. h+ La adsorción iónica reduce la conductividad, mientras que el OH– La adsorción iónica lo aumenta. Este fenómeno se puede aprovechar para la detección de diversas especies cargadas, como iones y sales de metales pesados, aunque a menudo requiere algunas modificaciones en la superficie del sensor de grafeno para mejorar la interacción.
¿Cómo funcionan los sensores de metales pesados en el grafeno?
Los metales pesados son contaminantes comunes del agua y las actividades humanas están cada vez más vinculadas a la presencia de metales pesados en los suministros de agua.
chang et al. (2010) Grafeno monofuncionalizado que contiene 1-octadecanotiol, que se autoensambla en el plano con la superficie del grafeno. Con exposición a sólo 10 ppm de mercurio2+ La fuerte interacción con los grupos tiol de estas moléculas provoca un desplazamiento positivo en el punto de Dirac, que es el punto de transición entre las bandas de valencia y de conducción.
Asimismo, Wang et al. (2016) unieron cadenas de ADN de forma no covalente al grafeno insertando un grupo pireno aromático en el extremo 5′ que se mantuvo electrostáticamente en el orbital p-carbono del grafeno, en cuyo caso se detectó Pb.2+exclusivamente en presencia de varios otros iones, incluido Na2+k+, mg2+y california2+y provocando un cambio hacia valores negativos de Dirac tras una vinculación exitosa.
La razón de la selectividad que muestran ciertas moléculas hacia iones particulares está relacionada en gran medida con las 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 representan un peligro para la salud y contribuyen a la propagación de enfermedades infecciosas en todo el mundo.
chang et al. (2014) pudieron adaptar sensores de grafeno para la detección bacterias coli Mediante activación superficial no covalente utilizando nanopartículas de oro decoradas con glutaraldehído, que han sido reticuladas covalentemente coli Anticuerpo O157. Este anticuerpo se une a los antígenos de la pared celular bacteriana, que llevan una ligera carga negativa.
Una vez es suficiente coli A medida que las células se acumulan en la superficie, la carga negativa acumulada provoca un cambio en la conductividad, lo que indica la presencia de esta cepa específica de bacterias. En una aplicación similar, Thakur ha mejorado la sensibilidad de este tipo de sensores de grafeno et al. (2018) pasivando la superficie del sensor con un elemento rico en electrones2Ey3. Esto reduce la concentración de portadores de carga en el canal durante la acumulación. coliactúa como puerta de carga.
El cambio en el comportamiento de las propiedades del semiconductor tipo p del sensor se produjo sólo en un nivel suficiente coli concentración, indicando que se ha alcanzado el límite inferior. La especificidad hacia cepas específicas de bacterias o incluso virus se imparte mediante la modificación del anticuerpo utilizado dentro de la sonda u otra modificación química, que permite la detección de cualquier variedad de microorganismos. Por ejemplo yo et al. (2021) combinaron grafeno con materiales MXene y anticuerpos específicos de la influenza en la detección de virus, logrando una resolución de solo 125 copias de virus por mililitro.
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Referencias y lecturas adicionales
Zubiarin-Laserna, A. Wocross, b. (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
Lee, Y., et al. (2021). Detección por transistor de efecto de campo MXene-Graphene del virus de la influenza y el SARS-CoV-2. ACS Omega, 6(10), págs. 6643-6653. doi.org/10.1021/acsomega.0c05421
Zhang, T., et al. (2010). Monocapas de 1-octadecanotiol autoensambladas sobre grafeno para la detección de mercurio. nano letras, 10, pág. 4738.
Chang, J., et al. (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 uno coli bacterias utilizando un dispositivo transistor de efecto de campo basado en grafeno. Biosensores y Bioelectrónica, 110, pág. dieciséis.
Zamora Ledezma et al. (2021) Contaminación del agua por metales pesados: nuevos conocimientos sobre los riesgos y métodos de tratamiento nuevos y convencionales. Tecnología e innovación ambiental.22. doi.org/10.1016/j.eti.2021.101504
