一种带有石墨烯场效应晶体管的传感器可快速检测饮用水污染物

人工智能可以获取标示水中细菌和重金属程度的信号。

根据世界卫生组织（WHO）的数据，每年有数十万人死于不安全的饮用水。例如，每年因细菌污染传播腹泻导致的死亡人数估计超过50万。饮用水中的砷、铅和汞等有毒重金属也给健康带来了巨大风险。此外，世界卫生组织表示，气候变化也会加剧与水有关的疾病风险。

能够准确且快速检测这些污染物的传感器可以预防许多水传播疾病和死亡。如今，工程师们已经开发出一条可大规模生产高性能石墨烯传感器的路径，这种传感器能够检测流动自来水中的重金属和细菌。现在每台10美元的价格预计将随着规模的扩大进一步降低，进而有望让人们在家中检测饮用水中的污染物。

要捕捉到有害的微量污染物，传感器必须非常灵敏。例如，美国食品和药物管理局（FDA）规定，瓶装水的铅含量不得超过十亿分之五。

美国芝加哥大学分子工程教授、阿贡国家实验室首席水策略师陈俊宏表示，只有在实验室分析水样本，才能检测出浓度为十亿分之一甚至万亿分之一的重金属、细菌和其他污染物。不过他的团队开发了一种带有石墨烯场效应晶体管的传感器，可以在几秒钟内检测出浓度这么低的污染物。

这种传感器以厚度几纳米的氧化石墨烯片为基础，该氧化石墨烯片作为场效应晶体管（FET）源极和漏极之间的通道；栅极可控制经过通道的电流。首先将石墨烯片沉积在硅片上，然后在石墨烯片上印刷金电极，之后用纳米厚的氧化铝绝缘层将栅极与半导体沟道分离。

该传感器芯片使用了石墨烯场效应晶体管(FET)，用于经济、快速地检测饮用水样本中的重金属和细菌等污染物。

研究人员将化学和生物分子附着在石墨烯表面，这些分子可结合期望的目标，在本例中，即大肠杆菌以及重金属铅和汞。即使极少量的污染物附着在石墨烯上，其导电性也会发生变化，其变化幅度与污染物的含量有关。

该设备使用了由3个传感器组成的阵列，每个传感器对应一种污染物，可测量流动水中万亿分之一的污染物浓度。陈俊宏说，机器学习算法有助于辨别不同的污染物。“它像任何其他场效应晶体管一样，反应非常快，所以你马上就能看到结果，”他说，“此外，它的成本可能很低，因为场效应晶体管是一种成本效益高的可扩展技术，（已经用于）计算机、笔记本电脑和手机。”

他说，制造性能一致且可靠的传感器是一项重大挑战。这是因为，氧化铝绝缘层可能存在吸收电荷和降低性能的缺陷。

因此，陈俊宏及其同事找到了一种使用非入侵工艺检测有缺陷设备的方法。研究人员将传感器浸入水中，使用阻抗谱进行测试，施加频率范围为几赫兹到几万赫兹的交流电压，测量通过设备的电流，进而检测氧化铝中的结构缺陷。

“每块晶圆上可制造数百个传感器芯片。”陈俊宏说，“在未来的制造过程中，我们可以引入这种质量控制步骤，筛选出不良器件，挑出优质器件。”

2个石墨烯场效应晶体管传感器(紫色和黄色)位于一个传感器舱中，借助压电电机，待测试的水可通过该传感器舱。研发人员使用低成本的CPU处理传感器的信号，并确定溶液中是否大量存在污染物。

目前，该团队正在尝试通过初创公司NanoAffix Science将这项技术商业化。“我们希望推出的第一款产品是一款手持设备，人们直接用它在水龙头检测饮用水的质量。”陈俊宏说。

该设备应该配备可更换的一次性石墨烯传感器。他说，虽然目前该传感器的价格约为10美元，随着规模扩大，其价格最终有望降至1美元。此外，他的团队还在研究如何去除石墨烯中的污染物，使传感器可重复使用。“原则上这是可行的。”陈俊宏说，“未来，或许这种传感器可以搭载在水龙头或水表上，持续监测水的质量。”

该团队的研究成果发表在《自然•通讯》杂志最近一期上。

作者：Prachi Patel