So entwickeln Sie einen zuverlässigen 1-Dollar-Sensor für sicheres Trinkwasser

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sterben jedes Jahr Hunderttausende Menschen durch den Konsum von unsicherem Wasser. Schätzungen zufolge verursacht Durchfall, der durch bakterielle Kontamination übertragen wird, jährlich über 500.000 Todesfälle. Auch giftige Schwermetalle im Trinkwasser wie Arsen, Blei und Quecksilber bergen große Gesundheitsrisiken. Und der Klimawandel wird laut WHO die Risiken wasserbedingter Krankheiten nur verschärfen.

Sensoren, die solche Schadstoffe genau und schnell erkennen können, könnten viele durch Wasser übertragene Krankheiten und Todesfälle verhindern. Jetzt haben Ingenieure einen Weg zur Massenproduktion von Hochleistungs-Graphensensoren entwickelt, die Schwermetalle und Bakterien in fließendem Leitungswasser erkennen können. Dieser in Nature Communications berichtete Fortschritt könnte die Kosten für solche Sensoren auf nur 1 US-Dollar pro Stück senken und es den Menschen ermöglichen, ihr Trinkwasser zu Hause auf Giftstoffe zu testen.

Die Sensoren müssen außerordentlich empfindlich sein, um kleinste Konzentrationen von Giftstoffen zu erfassen, die schädlich sein können. Beispielsweise gibt die US-amerikanische Food and Drug Administration an, dass in Flaschen abgefülltes Wasser eine Bleikonzentration von nicht mehr als 5 Teilen pro Milliarde haben darf.

Heutzutage ist der Nachweis von Konzentrationen von Schwermetallen, Bakterien und anderen Toxinen im Bereich von Teilen pro Milliarde oder sogar Teilen pro Billion nur durch die Analyse von Wasserproben im Labor möglich, sagt Junhong Chen, Professor für Molekulartechnik an der University of Chicago und der leitende Wasserstratege am Argonne National Laboratory. Aber seine Gruppe hat einen Sensor mit einem Graphen-Feldeffekttransistor (FET) entwickelt, der Giftstoffe in diesen niedrigen Konzentrationen innerhalb von Sekunden erkennen kann.

Der Sensor basiert auf einer nanometerdicken halbleitenden Graphenoxidschicht, die als Kanal zwischen den Source- und Drain-Elektroden in einem FET fungiert; Eine Gate-Elektrode steuert den Strom durch den Kanal. Die Graphenschichten werden auf einem Siliziumwafer abgeschieden, und dann werden Goldelektroden auf die Schichten gedruckt, gefolgt von einer nanometerdicken Isolierschicht aus Aluminiumoxid, um die Gate-Elektrode vom halbleitenden Kanal zu trennen.

Die Forscher befestigen chemische und biologische Moleküle an der Graphenoberfläche, die sich an die gewünschten Ziele binden – in diesem Fall an E. coli-Bakterien und die Schwermetalle Blei und Quecksilber. Wenn sich auch nur die kleinste Menge der Schadstoffe am Graphen festsetzt, ändert sich dessen Leitfähigkeit, wobei das Ausmaß der Änderung mit der Konzentration der Giftstoffe korreliert.

Das Gerät verwendet eine Anordnung mit drei verschiedenen Sensoren, einen für jeden Schadstoff, um Konzentrationen in Teilen pro Billion in fließendem Wasser zu messen. Algorithmen des maschinellen Lernens helfen dabei, die Schadstoffe zu unterscheiden, sagt Chen. „Seine Reaktion ist wie bei jedem anderen FET sehr schnell, sodass man die Ergebnisse sofort sehen kann. Außerdem ist es potenziell kostengünstig, da FET eine kostengünstige und skalierbare Technologie ist, die bereits in Computern, Laptops und Mobiltelefonen eingesetzt wird.“

Die Herstellung von Sensoren mit zuverlässiger und konstanter Leistung sei eine große Herausforderung gewesen, sagt er. Das liegt daran, dass die isolierende Aluminiumoxidschicht Defekte aufweisen kann, die Ladungen einfangen und die Leistung beeinträchtigen.

Also entwickelten Chen und seine Kollegen eine Möglichkeit, defekte Geräte mithilfe eines berührungslosen Prozesses zu erkennen. Während die Sensoren in Wasser eingetaucht sind, testen sie sie mithilfe der Impedanzspektroskopie – einer Technik, bei der eine Wechselspannung mit Frequenzen von einigen Hertz bis zu einigen Zehntausend Hertz angelegt und der Strom durch die Geräte gemessen wird. Dadurch können sie Strukturfehler im Aluminiumoxid erkennen.

„Auf jedem Wafer wären Hunderte von Sensorchips“, sagt Chen. „In der zukünftigen Fertigung können wir diesen Qualitätskontrollschritt einführen, um fehlerhafte Geräte auszusortieren und qualitativ hochwertige Geräte auszuwählen.“

Das Team versucht nun, die Technologie über ein Startup namens Nanoaffix Science zu kommerzialisieren. „Das erste Produkt, das wir vorstellen möchten, ist ein Handgerät, mit dem Menschen die Trinkwasserqualität direkt am Wasserhahn testen können“, sagt Chen.

Das Handgerät würde über einen austauschbaren Einmal-Graphensensor verfügen. Während der Sensor derzeit etwa 10 US-Dollar kostet, dürfte er mit der Skalierung irgendwann auf 1 US-Dollar sinken, sagt er. Sein Team untersucht außerdem Möglichkeiten, die Verunreinigungen aus dem Graphen zu entfernen, um die Sensoren wiederverwendbar zu machen. „Im Prinzip ist es machbar“, sagt Chen. „In Zukunft könnte man sich solche Sensoren an Wasserhähnen oder Wasserzählern vorstellen, um die Wasserqualität kontinuierlich zu überwachen.“