グラフェンベース鉛センサー、水質安全性で世界最高感度記録を樹立

カリフォルニア大学サンディエゴ校

水滴中の鉛イオンを検出する1つのセンサーチップからなる実験セットアップ。（画像：Bandaru Lab/UC San Diego提供）

フェムトモラー級の検出限界、従来比100万倍の感度

カリフォルニア大学サンディエゴ校のエンジニアたちは、グラフェンを用いた超高感度センサーを開発し、水中の鉛イオンを極めて低濃度で検出可能にしました。このデバイスは、フェムトモラー範囲までの鉛検出限界記録を達成し、従来のセンシング技術より100万倍高感度です。

「デバイスの極めて高い感度により、最終的には適切な体積の水中にわずか1個の鉛イオンが存在することさえ検出できることを期待しています」と、UCサンディエゴ・ジェイコブス工学部機械航空工学部のPrabhakar Bandaru教授。「鉛曝露は深刻な健康懸念であり、飲料水中の十億分率（ppb）レベルの鉛濃度でも、人間の成長発達阻害などの有害な結果を招くことが示されています。」

グラフェンとアプタマーで超高感度・高選択性を実現

このデバイスは、シリコンウェハー上に搭載された単層グラフェンで構成されます。グラフェンは卓越した導電性と表面積対体積比を持ち、センシング用途に理想的なプラットフォームを提供します。研究者たちは、リンカー分子をグラフェン表面に結合させることで、グラフェン層のセンシング能力を強化しました。このリンカーはイオン受容体のアンカーとして、最終的には鉛イオンのアンカーとして機能します。

今回の重要な特徴の一つは、センサーを鉛イオン検出に高度に特異的にしたことです。研究者たちは、イオン受容体としてアプタマー（短い一本鎖DNAまたはRNA）を使用しました。これらの受容体分子は、特定のイオンに対する固有の選択性で知られています。研究者たちはさらに、DNAまたはRNA配列を調整することで、受容体の鉛イオンに対する結合親和性を高めました。これにより、センサーは鉛イオンとの結合時にのみトリガーされるようになります。

熱力学パラメータの最適化でフェムトモラー検出を達成

フェムトモラー検出限界の達成は、グラフェンセンサー表面で起こる分子イベントを詳細に研究することで可能になりました。研究者たちは、実験的および理論的手法を組み合わせ、リンカーのグラフェン表面への段階的接着、受容体のリンカーへの結合、そして最終的に鉛イオンの受容体への結合を監視しました。

結合エネルギー、静電容量変化、分子コンフォメーションなどのシステムの熱力学パラメータを分析し、これらがセンサー性能の最適化に重要な役割を果たすことを発見しました。電子回路と材料からイオン受容体に至るまで、システム全体の設計とこれらの熱力学パラメータをそれぞれ最適化することで、研究者たちは前例のない感度と特異性で鉛イオンを検出できるセンサーを作製しました。

既存手法の課題を克服：低コスト・高信頼性を目指す

優れた感度に加え、新センサーは既存手法に対する他の利点を持ちます。高精度・高感度で鉛を検出する従来技術は、高価な装置に依存することが多く、広範な使用を制限してきました。一方、家庭用キットはよりアクセスしやすいものの、信頼性に欠け、検出限界が比較的劣る（通常マイクロモラー範囲）傾向があります。

「私たちが開発した技術は、コストと信頼性の問題を克服することを目指しています」とBandaru氏。「最終的には家庭への導入を目指しており、製造が比較的容易であることがその強みです。」

技術は現在概念実証段階ですが、Bandaru氏は将来的に実用化することを望んでいます。次のステップには、商用利用に向けた生産スケールアップが含まれ、これには産業パートナーとの協力が必要となります。

詳細については、Liezel Labios氏までお問い合わせください。メール：保護されたアドレス。