人工智能可以獲取標(biāo)示水中細(xì)菌和重金屬程度的信號。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的數(shù)據(jù)，每年有數(shù)十萬人死于不安全的飲用水。例如，每年因細(xì)菌污染傳播腹瀉導(dǎo)致的死亡人數(shù)估計(jì)超過50萬。飲用水中的砷、鉛和汞等有毒重金屬也給健康帶來了巨大風(fēng)險(xiǎn)。此外，世界衛(wèi)生組織表示，氣候變化也會(huì)加劇與水有關(guān)的疾病風(fēng)險(xiǎn)。

能夠準(zhǔn)確且快速檢測這些污染物的傳感器可以預(yù)防許多水傳播疾病和死亡。如今，工程師們已經(jīng)開發(fā)出一條可大規(guī)模生產(chǎn)高性能石墨烯傳感器的路徑，這種傳感器能夠檢測流動(dòng)自來水中的重金屬和細(xì)菌?，F(xiàn)在每臺(tái)10美元的價(jià)格預(yù)計(jì)將隨著規(guī)模的擴(kuò)大進(jìn)一步降低，進(jìn)而有望讓人們在家中檢測飲用水中的污染物。

要捕捉到有害的微量污染物，傳感器必須非常靈敏。例如，美國食品和藥物管理局（FDA）規(guī)定，瓶裝水的鉛含量不得超過十億分之五。

美國芝加哥大學(xué)分子工程教授、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室首席水策略師陳俊宏表示，只有在實(shí)驗(yàn)室分析水樣本，才能檢測出濃度為十億分之一甚至萬億分之一的重金屬、細(xì)菌和其他污染物。不過他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種帶有石墨烯場效應(yīng)晶體管的傳感器，可以在幾秒鐘內(nèi)檢測出濃度這么低的污染物。

這種傳感器以厚度幾納米的氧化石墨烯片為基礎(chǔ)，該氧化石墨烯片作為場效應(yīng)晶體管（FET）源極和漏極之間的通道；柵極可控制經(jīng)過通道的電流。第一時(shí)間將石墨烯片沉積在硅片上，然后在石墨烯片上印刷金電極，之后用納米厚的氧化鋁絕緣層將柵極與半導(dǎo)體溝道分離。

該傳感器芯片使用了石墨烯場效應(yīng)晶體管(FET)，用于經(jīng)濟(jì)、快速地檢測飲用水樣本中的重金屬和細(xì)菌等污染物。

研究人員將化學(xué)和生物分子附著在石墨烯表面，這些分子可結(jié)合期望的目標(biāo)，在本例中，即大腸桿菌以及重金屬鉛和汞。即使極少量的污染物附著在石墨烯上，其導(dǎo)電性也會(huì)發(fā)生變化，其變化幅度與污染物的含量有關(guān)。

該設(shè)備使用了由3個(gè)傳感器組成的陣列，每個(gè)傳感器對應(yīng)一種污染物，可測量流動(dòng)水中萬億分之一的污染物濃度。陳俊宏說，機(jī)器學(xué)習(xí)算法有助于辨別不同的污染物。“它像任何其他場效應(yīng)晶體管一樣，反應(yīng)非?？?，所以你馬上就能看到結(jié)果，”他說，“此外，它的成本可能很低，因?yàn)閳鲂?yīng)晶體管是一種成本效益高的可擴(kuò)展技術(shù)，（已經(jīng)用于）計(jì)算機(jī)、筆記本電腦和手機(jī)?！?/p>

他說，制造性能一致且可靠的傳感器是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。這是因?yàn)?，氧化鋁絕緣層可能存在吸收電荷和降低性能的缺陷。

因此，陳俊宏及其同事找到了一種使用非入侵工藝檢測有缺陷設(shè)備的方法。研究人員將傳感器浸入水中，使用阻抗譜進(jìn)行測試，施加頻率范圍為幾赫茲到幾萬赫茲的研討電壓，測量順利獲得設(shè)備的電流，進(jìn)而檢測氧化鋁中的結(jié)構(gòu)缺陷。

“每塊晶圓上可制造數(shù)百個(gè)傳感器芯片?！标惪『暾f，“在未來的制造過程中， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以引入這種質(zhì)量控制步驟，篩選出不良器件，挑出優(yōu)質(zhì)器件?！?/p>

2個(gè)石墨烯場效應(yīng)晶體管傳感器(紫色和黃色)位于一個(gè)傳感器艙中，借助壓電電機(jī)，待測試的水可順利獲得該傳感器艙。研發(fā)人員使用低成本的CPU處理傳感器的信號，并確定溶液中是否大量存在污染物。

現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)正在嘗試順利獲得初創(chuàng)公司NanoAffix Science將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 希望推出的第一款產(chǎn)品是一款手持設(shè)備，人們直接用它在水龍頭檢測飲用水的質(zhì)量?！标惪『暾f。

該設(shè)備應(yīng)該配備可更換的一次性石墨烯傳感器。他說，雖然現(xiàn)在該傳感器的價(jià)格約為10美元，隨著規(guī)模擴(kuò)大，其價(jià)格最終有望降至1美元。此外，他的團(tuán)隊(duì)還在研究如何去除石墨烯中的污染物，使傳感器可重復(fù)使用。“原則上這是可行的?！标惪『暾f，“未來，或許這種傳感器可以搭載在水龍頭或水表上，持續(xù)監(jiān)測水的質(zhì)量。”

該團(tuán)隊(duì)的研究成果發(fā)表在《自然?通訊》雜志最近一期上。

作者：Prachi Patel

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