Gli scienziati sviluppano un biosensore al grafene spruzzabile

I chimici hanno progettato una piattaforma di rilevamento scalabile e a basso costo utilizzando inchiostro al grafene.

Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo inchiostro al grafene che può essere utilizzato per rilevare una varietà di sostanze chimiche quando stratificato sopra i circuiti stampati (PCB) disponibili in commercio come una pellicola sottile.

In un articolo pubblicato sulla rivista Nanoscale, i ricercatori dell’Imperial affermano che la tecnologia potrebbe aprire la strada a array multisensore a basso costo che possono essere implementati nel settore sanitario, industriale e altro ancora.

Il grafene è un materiale 2D, costituito da un singolo strato di grafite. Disposto in un reticolo esagonale di atomi di carbonio che ricorda un nido d'ape, il grafene possiede potenti proprietà elettriche, ottiche e meccaniche.

I primi transistor ad effetto di campo al grafene stampati con inchiostri al grafene sono stati dimostrati nel 2011 dal gruppo del dottor Felice Torrisi, ottenendo una mobilità di elettroni incredibilmente elevata rispetto ai transistor stampati standard.

Tali proprietà rendono il grafene attraente per le applicazioni di rilevamento. Poiché si tratta di un materiale 2D, il grafene ha un'ampia superficie che può interagire con qualsiasi gas o liquido a cui è esposto, consentendone l'uso efficace per rilevare sostanze chimiche specifiche.

Inoltre, è relativamente facile da modificare per rilevare sostanze diverse grazie alla sua chimica unica a base di carbonio.

"È possibile legare i recettori alla superficie del grafene o portare i recettori abbastanza vicini da aderire alla superficie, ma non effettivamente legarsi ad essa", afferma Benji Fenech Salerno, dottorando presso il Dipartimento di Chimica e co-autore principale dello studio. il documento su scala nanometrica.

"In entrambi i casi, questo ci consente di aggiungere selettività chimica al grafene", afferma.

Il team dell’Imperial ha dimostrato che la loro tecnologia che utilizza inchiostro al grafene spruzzato su un PCB era in grado di rilevare con precisione il pH e la concentrazione di ioni sodio di una soluzione acquosa.

I piani futuri includono l’espansione della tecnologia ad altri analiti, nonché il deposito di inchiostri al grafene su diverse superfici.

I ricercatori affermano che sebbene gli inchiostri al grafene siano stati prodotti prima, è stato difficile sintetizzarli commercialmente con un’alta concentrazione di scaglie di grafene e depositare gli inchiostri come uno strato sottile e stabile sopra una superficie PCB commerciale.

Le sfide precedenti riguardavano la tendenza degli inchiostri a laminarsi sui substrati. In altre parole, si staccerebbero dalle superfici su cui si sono depositati.

Ciò introdurrebbe quindi una fonte di errore in tutte le misurazioni effettuate, riducendone la precisione come sensori chimici.

Anche il dottor Felice Torrisi, docente presso il Dipartimento di Chimica e corrispondente autore dell'articolo, afferma che è stato difficile per i ricercatori creare dispersioni di grafene ad alta concentrazione.

“Finora è stata una grande sfida irrisolta con questi inchiostri: la quantità di grafene che si ottiene per unità di volume, che tende ad essere molto bassa rispetto ad altri inchiostri commerciali con, ad esempio, nanoparticelle metalliche”, afferma.

Gli inchiostri a bassa concentrazione possono comportare complicazioni quando si tenta di applicarli nelle tecnologie dei sensori. Secondo i ricercatori, dover spruzzare ripetutamente gli inchiostri sul substrato per ottenere un rivestimento sufficiente può ridurre le prestazioni complessive del sensore.

Il team ha superato entrambi gli ostacoli introducendo uno speciale stabilizzante noto come polivinilprolidone (PVP), un polimero spesso utilizzato come legante.

L'aggiunta di PVP ha permesso all'inchiostro di essere stabile a concentrazioni più elevate e gli ha conferito una durata di conservazione più lunga.

L'inchiostro al grafene stabilizzato era anche autoadesivo, consentendogli di aderire alla superficie di un PCB disponibile in commercio senza laminazione. "Consentire l'integrazione dell'inchiostro al grafene con le schede PCB non è semplice: è difficile trovare la formulazione adeguata per avere una forte adesione", afferma il dott. Torrisi.

“Il deposito affidabile di inchiostri al grafene su schede PCB commerciali apre all’integrazione su larga scala di sensori di grafene stampati in prodotti commerciali”, aggiunge.