全球面临着水危机，这不仅仅是关于清洁水供应的减少。受污染的饮用水使全世界数亿人接触到细菌、重金属、农药和冠状病毒等毒素。这种污染危害公众健康，并可能导致严重疾病。
来自美国能源部阿贡国家实验室的一组研究人员，以及芝加哥大学普利兹克分子工程学院和威斯康星大学密尔沃基分校的研究人员，已经为能够同时检测铅、汞和大肠杆菌的传感器的大规模生产设计了一条途径。在流动的自来水中。该团队的创新有望通过提供污染的早期预警来帮助保护公众健康。
“传统上，用于测量水中污染物的传感器存在可靠性问题，无法检测出故障设备，”阿贡国家实验室的科学家浦海辉(Haihui Pu，音译)说，他与芝加哥大学的普利兹克分子工程学院(Pritzker Molecular Engineering)共同任职。“改进的传感器可以避免健康危机。”
这些传感器的核心是一层一纳米厚的碳和氧原子层，这是一种石墨烯，它被涂在硅衬底上。这种石墨烯材料的作用与计算机芯片中的半导体类似。然后在石墨烯表面印上金电极，然后是一层纳米厚的氧化铝绝缘层。每个传感器都是为检测三种毒素中的一种而定制的:铅、汞或大肠杆菌。
大规模生产这些传感器的主要挑战之一是评估它们的质量。在超薄绝缘层中可以形成不希望的孔隙的微小区域。这种多孔性允许电子从底部的石墨烯层逃逸到顶部的绝缘层。这种泄漏损害了其作为绝缘体的有效性，并导致传感器响应不可靠。
该团队最近在《自然通讯》上发表的文章描述了一种在大规模生产前识别有缺陷设备的筛选方法。该方法包括测量当传感器浸入水中时绝缘层的电响应。关键是屏蔽不会损坏传感器。通过采用这种技术，研究小组发现了绝缘层的结构缺陷。然后，他们能够建立标准，轻松检测故障设备。
为了证明他们的方法的有效性，研究小组评估了一种能够同时检测自来水中的铅、汞和大肠杆菌的三传感器阵列。使用机器学习算法来分析结果，他们能够将毒素水平量化到十亿分之一，即使在干扰元素存在的情况下。
“传感器的美妙之处在于，你可以将它们应用于任何形式的水，而不仅仅是自来水，”阿贡国家实验室首席水资源战略家、普利兹克分子工程学院皇冠家族教授陈俊红说。“更重要的是，你可以将300个、30个或300个传感器结合起来，每个传感器都是量身定制的，用于检测不同的成分。”
这些物质不仅包括重金属和细菌，还包括药品、农药、冠状病毒和水中的一种常见污染物、全氟烷基和多氟烷基物质。它们还可能包括关键资源，比如电池所需的钴，以及植物和动物所需的营养物氮和磷。
一旦有问题或有价值的元素被识别和去除，传感器就可以用来评估处理过的水的清洁度。研究结果可以指导水的安全再利用，包括饮用水、农业和灌溉、地下水补给和工业过程。
陈表示希望通过他创立的创业公司将这项技术商业化。“但是水污染是一个全球性的健康问题，需要集体努力，”他说。
该团队的筛选方法为监测水质和优化其安全再利用提供了一种通用工具。在科学家解决这一关键问题的过程中，他们的努力为更健康、更可持续的未来带来了希望的灯塔。
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希望本篇文章《新型传感器技术突破性进展：有效消除水中毒素测量中的电子传感器故障》能对你有所帮助！
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