Các nhà nghiên cứu phát triển một nền tảng cảm biến sinh học graphene có thể phun được để cảm biến hóa học nhanh chóng và chi phí thấp
Các nhà khoa học từ Đại học Hoàng gia Luân Đôn và Đại học Catania & CNR-IMM đã phát triển một loại mực graphene mới có thể được sử dụng để phát hiện nhiều loại chất hóa học khi được xếp lớp trên các bảng mạch in (PCB) có bán trên thị trường dưới dạng màng mỏng.
I. Trong bài báo gần đây của họ, nhóm đã trình diễn một nền tảng cảm biến mới và linh hoạt, dựa trên các bóng bán dẫn hiệu ứng trường graphene được kiểm soát bằng chất điện phân, để sản xuất các que thử cảm biến hóa học dễ dàng, chi phí thấp và có thể mở rộng quy mô.
Nền tảng Lab-on-PCB được kích hoạt bằng mực graphene phun được có nhiệt độ sôi thấp, sức căng bề mặt thấp lắng đọng trên đế được sản xuất bằng quy trình bảng mạch in thương mại.Các nhà nghiên cứu nói rằng công nghệ này có thể mở đường cho mảng đa cảm biến chi phí thấp có thể được triển khai trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, công nghiệp và hơn thế nữa.Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường graphene in đầu tiên từ mực graphene đã được trình diễn vào năm 2011 bởi nhóm của Tiến sĩ Felice Torrisi, đạt được độ linh động cực cao của các electron so với các bóng bán dẫn in tiêu chuẩn. Những tính chất như vậy làm cho graphene trở nên hấp dẫn đối với các ứng dụng cảm biến. Vì là vật liệu 2D, graphene có diện tích bề mặt lớn có thể tương tác với bất kỳ chất khí hoặc chất lỏng nào mà nó tiếp xúc – cho phép nó được sử dụng hiệu quả để phát hiện các hóa chất cụ thể. Hơn nữa, nó tương đối dễ sửa đổi để cảm nhận các chất khác nhau do tính chất hóa học dựa trên carbon độc đáo của nó.Benji Fenech Salerno, nghiên cứu sinh tại Khoa Hóa học và đồng tác giả chính của bài báo gần đây cho biết: “Bạn có thể liên kết các thụ thể với bề mặt của graphene hoặc đưa các thụ thể đến đủ gần để dính vào bề mặt, nhưng không thực sự liên kết với nó. Ông nói: “Trong cả hai trường hợp, điều này cho phép chúng tôi thêm tính chọn lọc hóa học vào graphene.Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng công nghệ của họ sử dụng mực graphene được phun lên PCB có thể phát hiện chính xác độ pH và nồng độ ion natri của dung dịch nước.
II. Các kế hoạch trong tương lai bao gồm mở rộng công nghệ sang các chất phân tích khác, cũng như lắng đọng mực graphene trên các bề mặt khác nhau.
Các nhà nghiên cứu cho biết mặc dù mực graphene đã được sản xuất trước đây, nhưng rất khó để tổng hợp thương mại chúng với nồng độ cao các mảnh graphene và để lắng đọng mực dưới dạng một lớp mỏng, ổn định trên bề mặt PCB thương mại. Nói cách khác, chúng sẽ bong ra khỏi bề mặt mà chúng được lắng đọng. Điều này sẽ tạo ra một nguồn lỗi trong bất kỳ phép đo nào được thực hiện, làm giảm độ chính xác của chúng dưới dạng cảm biến hóa học. Dr. Felice Torrisi, giảng viên cao cấp của Khoa Hóa học và là tác giả tương ứng của bài báo, cũng nói rằng rất khó để các nhà nghiên cứu tạo ra sự phân tán nồng độ cao của graphene. Ông nói: “Cho đến nay, đó vẫn là một thách thức lớn chưa được giải quyết đối với các loại mực này – lượng graphene mà bạn nhận được trên một đơn vị thể tích, có xu hướng rất thấp so với các loại mực thương mại khác, chẳng hạn như các hạt nano kim loại”.
III. Mực có nồng độ thấp có thể gây ra các vấn đề phức tạp khi cố gắng áp dụng chúng trong các công nghệ cảm biến.
Các nhà nghiên cứu cho biết, việc phải phun mực nhiều lần lên đế để có đủ lớp phủ có thể làm giảm hiệu suất tổng thể của cảm biến. Nhóm đã vượt qua cả hai trở ngại bằng cách giới thiệu một chất ổn định đặc biệt có tên là polyvinylpyrrolidone (PVP) – một loại polime thường được sử dụng làm chất kết dính. Việc bổ sung PVP cho phép mực ổn định ở nồng độ cao hơn và kéo dài thời hạn sử dụng hơn. Mực graphene ổn định cũng có khả năng tự dính, cho phép mực dính vào bề mặt của PCB bán trên thị trường mà không cần cán mỏng. Tiến sĩ Torrisi cho biết: “Việc cho phép tích hợp mực graphene với bảng PCB không đơn giản: rất khó để tìm ra công thức thích hợp để có độ bám dính mạnh. Ông cho biết thêm: “Việc sử dụng mực graphene trên các bảng PCB thương mại một cách đáng tin cậy sẽ mở ra khả năng tích hợp quy mô lớn các cảm biến graphene in trong các sản phẩm thương mại”. Sau đó, các thụ thể khác nhau có thể được đặt trên cùng một cảm biến cho phép phát hiện nhiều chất trên cùng một thiết bị. Benji nói: “Chúng tôi muốn mang những cảm biến này đến gần với người dùng cuối.
IV. Nhóm nghiên cứu đưa ra ví dụ về bảng chuyển hóa, một loại xét nghiệm chẩn đoán thường được chỉ định cho bệnh nhân.
"Nếu bạn mắc một bệnh mãn tính, sẽ rất bất tiện khi phải đến phòng khám thường xuyên, hoặc có thể bạn không được xét nghiệm thường xuyên như mong muốn". Việc có các cảm biến chi phí thấp có thể cho phép người dùng tự thực hiện xét nghiệm. Các ứng dụng khác cũng có thể là phát hiện hóa chất nhanh chóng trong các lĩnh vực như nông nghiệp hoặc công nghiệp vì công nghệ mà nhóm Imperial phát triển có thể đưa ra kết quả trong vòng 60 giây. Họ cho biết. Nhóm hiện đã đăng ký bằng sáng chế cho công nghệ của họ và đang khám phá việc mở rộng tính linh hoạt của nó để phát hiện các chất phân tích khác. lên các bề mặt khác, chẳng hạn như bề mặt da.