Cómo diseñar un sensor confiable de $1 para agua potable segura

Jun 30, 2023

Según la Organización Mundial de la Salud, cientos de miles de personas mueren cada año por beber agua contaminada. Por ejemplo, se estima que la diarrea transmitida por contaminación bacteriana causa más de 500.000 muertes al año. Los metales pesados ​​tóxicos presentes en el agua potable, como el arsénico, el plomo y el mercurio, también plantean enormes riesgos para la salud. Y el cambio climático no hará más que exacerbar los riesgos de enfermedades relacionadas con el agua, según la OMS.

Los sensores que puedan detectar con precisión y rapidez dichos contaminantes podrían prevenir muchas enfermedades y muertes transmitidas por el agua. Ahora, los ingenieros han desarrollado un camino para fabricar en masa sensores de grafeno de alto rendimiento que pueden detectar metales pesados ​​y bacterias en el agua del grifo. Este avance, publicado en Nature Communications, podría reducir el costo de dichos sensores a sólo 1 dólar cada uno, lo que permitiría a las personas analizar el agua potable en busca de toxinas en casa.

Los sensores tienen que ser extraordinariamente sensibles para detectar concentraciones mínimas de toxinas que pueden causar daño. Por ejemplo, la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. afirma que el agua embotellada debe tener una concentración de plomo no superior a 5 partes por mil millones.

Hoy en día, detectar concentraciones de partes por billón o incluso partes por billón de metales pesados, bacterias y otras toxinas sólo es posible analizando muestras de agua en el laboratorio, dice Junhong Chen, profesor de ingeniería molecular en la Universidad de Chicago. y el principal estratega de agua del Laboratorio Nacional Argonne. Pero su grupo ha desarrollado un sensor con un transistor de efecto de campo (FET) de grafeno que puede detectar toxinas en esos niveles bajos en cuestión de segundos.

El sensor se basa en una lámina semiconductora de óxido de grafeno de nanómetros de espesor, que actúa como canal entre los electrodos fuente y drenaje en un FET; un electrodo de puerta controla la corriente a través del canal. Las láminas de grafeno se depositan en una oblea de silicio y luego se imprimen electrodos de oro en las láminas, seguidos de una capa aislante de óxido de aluminio de un espesor de nanómetros para separar el electrodo de puerta del canal semiconductor.

Los investigadores unen moléculas químicas y biológicas a la superficie del grafeno que se unirán a los objetivos deseados, en este caso la bacteria E. coli y los metales pesados ​​plomo y mercurio. Cuando incluso la más mínima cantidad de contaminantes se adhiere al grafeno, su conductividad cambia, y la magnitud del cambio se correlaciona con las concentraciones de las toxinas.

El dispositivo utiliza una matriz con tres sensores diferentes, uno para cada contaminante, para medir concentraciones de partes por billón en el agua corriente. Los algoritmos de aprendizaje automático ayudan a diferenciar entre los contaminantes, afirma Chen. “Su respuesta es muy rápida como cualquier otro FET, por lo que puedes ver los resultados de inmediato. Además, es potencialmente de bajo costo porque FET es una tecnología rentable y escalable [que ya se usa] en computadoras, portátiles y teléfonos celulares”.

Fabricar sensores con un rendimiento fiable y constante fue un gran desafío, afirma. Esto se debe a que la capa aislante de óxido de aluminio puede tener defectos que atrapan cargas y degradan el rendimiento.

Entonces, a Chen y sus colegas se les ocurrió una forma de detectar dispositivos defectuosos mediante un proceso no intrusivo. Mientras los sensores están sumergidos en agua, los prueban mediante espectroscopia de impedancia (una técnica que implica aplicar un voltaje de CA a frecuencias que van desde unos pocos hercios hasta unas pocas decenas de miles de hercios) y medir la corriente a través de los dispositivos. Esto les permite detectar defectos estructurales en el óxido de aluminio.

"En cada oblea habría cientos de chips sensores", dice Chen. "En la fabricación futura, podemos introducir este paso de control de calidad para descartar dispositivos defectuosos y seleccionar los de buena calidad".

El equipo ahora está intentando comercializar la tecnología a través de una startup llamada Nanoaffix Science. "El primer producto que esperamos presentar es un dispositivo portátil que permite a las personas probar la calidad del agua potable directamente desde el grifo", dice Chen.

El dispositivo portátil tendría un sensor de grafeno reemplazable y de un solo uso. Si bien el sensor cuesta alrededor de 10 dólares en este momento, con la ampliación debería llegar a reducirse a 1 dólar, afirma. Su equipo también está estudiando formas de eliminar los contaminantes del grafeno para que los sensores sean reutilizables. "En principio, es factible", afirma Chen. "En el futuro, se podría imaginar este tipo de sensor en grifos o medidores de agua para monitorear continuamente la calidad del agua".