安全な飲料水のために信頼性の高い 1 ドルセンサーを設計する方法

Jun 30, 2023

世界保健機関によると、毎年数十万人が安全でない水を飲んで死亡しています。 たとえば、細菌汚染によって伝染する下痢は、年間 500,000 人以上の死亡を引き起こすと推定されています。 飲料水に含まれるヒ素、鉛、水銀などの有毒な重金属も、健康に大きなリスクをもたらします。 そして、WHOによると、気候変動は水に関連した病気のリスクを悪化させるだけだという。

このような汚染物質を正確かつ迅速に検出できるセンサーがあれば、多くの水を媒介とする病気や死亡を防ぐことができる可能性があります。 現在、エンジニアたちは、流れる水道水中の重金属やバクテリアを検出できる高性能グラフェンセンサーを大量生産する道を開発しました。 Nature Communications で報告されたこの進歩により、そのようなセンサーのコストが 1 つあたりわずか 1 米ドルに下がり、人々は自宅で飲料水の毒素を検査できるようになります。

センサーは、害を及ぼす可能性のある微量濃度の毒素を捕捉するために、非常に感度が高くなければなりません。 たとえば、米国食品医薬品局は、ボトル入り飲料水の鉛濃度が 5 ppb 以下でなければならないと述べています。

現在、重金属、細菌、その他の毒素の濃度を10億分の1、さらには1兆分の1の濃度で検出することは、実験室で水サンプルを分析することによってのみ可能である、とシカゴ大学の分子工学教授、ジュンホン・チェン氏は言う。アルゴンヌ国立研究所の水戦略主任。 しかし、彼のグループは、数秒以内に低レベルの毒素を検出できるグラフェン電界効果トランジスタ（FET）を備えたセンサーを開発した。

このセンサーは、ナノメートルの厚さの半導体酸化グラフェン シートをベースにしており、FET のソース電極とドレイン電極の間のチャネルとして機能します。 ゲート電極はチャネルを流れる電流を制御します。 グラフェンシートはシリコンウェーハ上に堆積され、その後金電極がシート上に印刷され、続いて酸化アルミニウムのナノメートル厚の絶縁層が印刷され、ゲート電極を半導体チャネルから分離します。

研究者らは、化学分子と生物学的分子をグラフェン表面に付着させ、これが目的の標的、この場合は大腸菌、重金属、鉛、水銀と結合します。 たとえ極微量の汚染物質がグラフェンに付着すると、その導電率が変化し、その変化の大きさは毒素の濃度に相関します。

この装置は、汚染物質ごとに 1 つずつ、3 つの異なるセンサーを備えたアレイを使用して、流水中の 1 兆分の 1 の濃度を測定します。 機械学習アルゴリズムは汚染物質を区別するのに役立つとチェン氏は言います。 「他の FET と同様に応答が非常に速いため、結果をすぐに確認できます。 また、FET はコンピュータ、ラップトップ、携帯電話で（すでに使用されている）費用対効果が高く、スケーラブルなテクノロジーであるため、潜在的に低コストになる可能性があります。」

信頼性が高く、一貫した性能を備えたセンサーを製造することは大きな課題であった、と彼は言います。 絶縁酸化アルミニウム層には、電荷をトラップして性能を低下させる欠陥が存在する可能性があるためです。

そこでチェン氏と同僚は、非侵入的なプロセスを使用して欠陥のあるデバイスを検出する方法を考え出しました。 センサーを水に浸した状態で、インピーダンス分光法 (数ヘルツから数万ヘルツの範囲の周波数で交流電圧を印加する技術) を使用してセンサーをテストし、デバイスに流れる電流を測定します。 これにより、酸化アルミニウムの構造欠陥を検出できるようになります。

「各ウェーハには何百ものセンサーチップがあることになります」とチェン氏は言います。 「将来の製造では、この品質管理ステップを導入して、不良デバイスを選別し、高品質のデバイスを選び出すことができます。」

チームは現在、Nanoaffix Scienceと呼ばれる新興企業を通じてこの技術の商業化を試みている。 「私たちが導入したいと考えている最初の製品は、人々が蛇口から直接飲料水の品質をテストできる携帯型デバイスです」とチェン氏は言います。