Conductometric graphene sensors decorated with nanoclusters for selective detection of Hg2+ traces in water

Conductometric graphene sensors decorated with nanoclusters for selective detection of Hg2+ traces in water

Accepted Manuscript Title: Conductometric graphene sensors decorated with nanoclusters for selective detection of Hg2+ traces in water Author: Ahmad I...

328KB Sizes 0 Downloads 18 Views

Accepted Manuscript Title: Conductometric graphene sensors decorated with nanoclusters for selective detection of Hg2+ traces in water Author: Ahmad I. Ayesh Zainab Karam Falah Awwad Mohammed A. Meetani PII: DOI: Reference:

S0925-4005(15)30001-0 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.snb.2015.06.075 SNB 18652

To appear in:

Sensors and Actuators B

Received date: Revised date: Accepted date:

18-4-2015 10-6-2015 19-6-2015

Please cite this article as: A.I. Ayesh, Z. Karam, F. Awwad, M.A. Meetani, Conductometric graphene sensors decorated with nanoclusters for selective detection of Hg2+ traces in water, Sensors and Actuators B: Chemical (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2015.06.075 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Conductometric graphene sensors decorated with nanoclusters for selective detection of Hg2+ traces in water Ahmad I. Ayesh1,*, Zainab Karam2, Falah Awwad3, and Mohammed A. Meetani4  Department of Math., Stat. and Physics, Qatar University, Doha, Qatar  2 

 Department of Electrical Engineering, United Arab Emirates University, Al Ain,  

cr

3

Masdar Institute, Abu Dhabi, United Arab Emirates 

ip t



4

us

United Arab Emirates 

 Chemistry Department, United Arab Emirates University, Al Ain,  

an

United Arab Emirates 

* Corresponding author. Email: [email protected], Tel.: +974‐4403‐6592, P. O. Box 2713, Doha, 

Abstract:

M

Qatar 

d

Mercury ion (Hg2+) sensors based on graphene and gold nanoclusters are presented in this work. 

Ac ce pt e

The  sensors  follow  the  structure  of  field‐effect  transistor  (FET),  and  their  sensing  mechanism  rely  on  the  change  in  conductance  of  graphene  and  gold  nanocluster  percolating  film.  Each  sensor  was  fabricated  by  deposition  of  interdigitated  metal  electrodes  on  the  surface  of  graphene  by  thermal  evaporation  through  a  shadow  mask.  Next,  gold  nanoclusters  are  generated  by  magnetron  discharge  sputtering  and  inert‐gas  condensation  inside  an  ultra‐high  compatible system, and they are self‐assembled on the surface of graphene. The sensitivity and  selectivity  of  graphene  to  Hg2+  are  vastly  enhanced  by  incorporating  the  nanoclusters  on  its  surface.  The  detection  limit  of  the  present  sensors  is  below  the  safe  concentration  of  Hg2+  in  drinking water  set by different  universal agencies. In addition, those sensors are practical and  easy to operate in field for real life applications.      1   

Page 1 of 16

Keywords:   Graphene, gold nanoclusters, mercury sensor, inert‐gas condensation  



ip t

Introduction:

cr

Mercury  metal  is  released  into  water  by  different  sources  including  sewage  industrial  waste,  thus, it can enter human food chain. It is considered one of the most harmful pollutant of heavy 

us

metals  since  it  is  non‐biodegradable,  and  it  can  enter  to  human  body  by  different  means  including  direct  consumption  (for  example,  through  drinking  water),  absorption  through  skin, 

an

and by respiratory system. Exposure to mercury cause severe effects on human health such as  brain  damage,  kidney  failure,  damage  in  the  nervous  system,  birth  defects,  chromosome 

M

breakage,  and  paralysis  [1,  2].  The  United  Nation  Environment  Program  (UNEP)  assessed  the  annual  released  quantity  of  mercury  to  4400  –  7500  tons  [3].  In  addition,  the  International 

Ac ce pt e

d

World  Health  Organization  regulated  the  maximum  allowed  amount  of  mercury  ions  (Hg2+)  in  drinking  water  to  6  ppb  [4].  Nevertheless,  previous  studies  estimated  the  allowed  amount  of  inorganic  Hg2+  in  water  to  0.5  ppb  [5].  Therefore,  the  development  of  sensitive,  selective,  reliable, and cost effective Hg2+ sensors is needed for medical diagnostic, quality control of food  industry, as well as water and environment quality monitoring.   In the past years different approaches were involved in detection of low concentrations of Hg2+  such  as  X‐ray  absorption  spectroscopy  [6],  spectrophotometry  [7],  inductively coupled plasma  mass spectrometry [8], cold vapor atomic fluorescent spectroscopy [9], and fluorescence assay  [10].  However, the  previous methods are expensive,  and not  practical  to  apply  in field due to  their delicate instrumentation.  

2   

Page 2 of 16

Recently  our  group  has  been  working  on  developing  conductometric  sensors  based  on  nanostructures for different stimulate species [11‐13]. These sensors are very sensitive, cheap  to manufacture, exhibit low power consumption, and practical to use in outdoor field. The main 

ip t

element  of  those  sensors  is  atomic  nanoclusters  that  are  fabricated  by  sputtering  and  inert  condensation technique inside an ultra‐high compatible system [14]. This technique has many 

cr

advantages over other nanocluster syntheses methods where the produced nanoclusters are of 

us

high  purity  since  they  are prepared inside  a  vacuum  chamber;  charged, thus  their size  can be  selected  using  a  suitable  mass  filter;  size  tunable  by  controlling  source  parameters  such  as 

an

sputtering  discharge  and  inert‐gas  condensation;  and  they  can  be  assembled  directly  on  a  substrate without any extra experimental steps [15]. In addition, sputtering is a well‐established 

M

technique that is adopted by many industries. 

Generally, nanoclusters have unique properties that make them suitable for sensing applications 

d

such as the large ratio of surface atoms that are normally unsaturated, thus, they can bind with 

Ac ce pt e

other  atoms  that  have  suitable  chemical  activity.  A  main  track  of  research  in  this  field  is  to  optimize  the  sensitivity,  selectivity,  and  reproducibility  of  the  fabricated  nanoclusters.  Among  those  nanoclusters,  gold  (Au)  was  found  an  attractive  material  for  sensor  and  catalyst  applications  [16].  Au  nanoclusters  were  used  for  different  sensor  applications  [17],  including  Hg2+ sensor due to their high affinity to mercury [18]. However, the selectivity of Au nanocluster  based  sensors  to  Hg2+  ions  is  still  a  major  challenge  that  should  be  addressed  to  enable  commercial  production  of  those  sensors  [19].  In  addition,  sensors  based  on  nanoclusters  and  nanowires are limited because their detection depends on the induced field‐effect [20].   Graphene  is  a  superior  nanomaterial  that  has  been  experimentally  produced  in  2004  [21].  It  exhibits  high  electrical  conductivity,  chemically  stable,  and  it  holds  unique  mechanical    and  thermal properties that attracted strong scientific interest recently. It consists of carbon atoms 

3   

Page 3 of 16

that  are  packed  into  a  lattice  of  single  layer  with  the  structure  of  honeycomb.  Graphene  has  been used recently for innovative sensor applications to enable the detection of a wide range of  stimulant, because of its extraordinary electrical properties, such as glucose [22], heavy metals 

ip t

[23],  and  different  gas  species  [24,  25].  In  addition,  graphene  is  predicted  to  exceed  carbon  nanotubes  in  the  field  of  sensor  applications  because  of  its  large  detection  area  as  well  as  its 

cr

biocompatibility.  Nevertheless,  the  selectivity  of  graphene  based  sensors  needs  to  be 

us

engineered to make it suitable to target particular chemical stimulate. 

In this work, we present novel conductometric sensors based on graphene and Au nanoclusters 

an

that  are  highly  selective  to  Hg2+  ions.  Electrical  electrodes  were  deposited  on  the  surface  of  graphene by thermal evaporation. Au nanoclusters were produced by sputtering and inert gas 

M

condensation technique inside an ultra‐high vacuum chamber, and they were self‐assembled on  the surface of graphene. To the best of our knowledge, the sensors reported here are the first 

d

conductometric sensors based on graphene and Au nanoclusters that are utilized for detection 

Ac ce pt e

of Hg2+ traces in water. These sensors were exceedingly sensitive to Hg2+ ions, therefore, they  have potential to be applied for practical life applications. 

Experimental:

Gold nanoclusters were produced by the sputtering and inert gas condensation technique inside  an ultra‐high vacuum system as shown in Fig.1 [26]. The system consists of three main chambers  (source, mass filter, and deposition chambers) that were pumped initially to a base pressure of  10‐8 mbar using two turbo pumps. A gold target of purity 99.99% (Testbourne ltd, UK) was fixed  on a water‐cooled magnetron sputter head. The sputter head was fixed on a motorized linear  translator to enable changing the aggregation length (defined as the distance from the surface  of the sputtering target to the exit nozzle of the source chamber). Plasma was generated inside 

4   

Page 4 of 16

the  source  chamber  using  argon  (Ar)  inert  gas,  and  it  was  used  to  sputter  Au  from  its  target  through  dc  discharge  type.  The  supplied  Ar  gas  was  also  utilized  to  condense  the  sputtered  material  forming  nanoclusters,  and  to  create  pressure  gradient  between  the  source  and 

ip t

deposition chambers that enables the formed nanoclusters to travel to the deposition chamber.  The  inert  gas  flow  rate  was  controlled  within  the  range  0.0  –  100.0  sccm  using  a  mass  flow 

cr

controller (MKS Instruments). The size and yield of the produced nanoclusters were controlled 

us

by  varying  the  following  source  parameters:  1)  argon  inert  gas  flow  rate  (fAr),  2)  aggregation  length  (L),  and  3)  sputtering  discharge  power  (P).  The  size  distribution  of  the  produced 

an

nanoclusters was measured using a quadrupole mass filter (QMF) assembled in the path of the  produced  nanoclusters,  see  Fig.  1.  The  mass  filter  consists  of  four  metal  rods,  where  voltages 

M

(combination of dc and ac voltages) of equal magnitudes but opposite polarities were applied to  each pair of opposite metal rods. The flux of size‐selected nanoclusters was measured using a 

d

Farady  cup  (located  at  the  exit  of  QMF)  connected  with  a  picoammeter  (here,  the  electrical 

Ac ce pt e

current signal represents nanocluster flux). 

Each Hg2+ sensor was fabricated using (1 cm X 1cm) commercial graphene layer on SiO2/doped‐ Si  substrate  (thickness  of  SiO2  is  285  nm,  and  Si  is  p‐type  with  resistivity  of    0.001‐0.005  ohm.cm).  Interdigitated  parallel  Au  electrodes  (with  electrode  separation  of  100  μm)  were  fabricated  by  thermal  evaporation    using  a  Torr  International  evaporator  through  a  shadow  mask on the surface of graphene, as shown in Fig. 2(a) [27]. Two batches of sensors were tested  in  this  work:  i)  sensors  based  on  graphene  only,  and  ii)  sensors  based  on  graphene  and  percolating films of Au nanoclusters, each has a thickness of 5 nm.  For nanocluster deposition, each graphene sample was fixed on a cryostat finger. Nanocluster  deposition rate was initially measured using a quartz crystal monitor (QCM) facing nanocluster 

5   

Page 5 of 16

beam and was fixed on a motorized linear translator. Next, the QCM was removed away from  the sample, thus, nanoclusters were deposited on graphene surface.   Sensitivity  measurements  were  performed  using  Hg2+  solutions  with  different  concentrations 

ip t

(0.05, 0.1, 0.3, 0.6, 3, 6, 20, 40, and 60 ppb). The solutions were prepared as follows: three stock  solutions were prepared by dissolving 0.1000 g in 100 mL of 1.0 M HCl (stock A), 0.0100 g HgCl2 

cr

in  100  mL  of  1.0  M  HCl  (stock  B)  and  0.0100  g  in  1000  mL  of  1.0  M  HCl  (stock  C).   The  initial 

us

concentrations for these three solutions were 1000 ppm, 100 ppm and 100 ppm, respectively.   Volumetric flasks, Class A, with a volume capacity of 100 mL, were used in all the preparation 

an

steps.  

Solution A was used to prepare final concentrations of 60, 40 and 20 ppb by serial dilution. First, 

M

6.00 mL of solution A was diluted by 100 mL of 1.0 M HCl to get 60.00 ppm. After that, 1.000 mL  of the 60.00 ppm was diluted by 100.0 1.0 M HCl to give 0.60 ppm (600 ppb). Finally, 10.00 mL, 

d

6.666 mL, and 3.333 mL volumes of 600 ppb was diluted in three separate volumetric flasks  by 

Ac ce pt e

100 mL of 1.0 M HCl in each to make the final concentrations of 60, 40, and 20 ppb solutions,  respectively.  

Solution B, which is 100.0 ppm HgCl2, was used to prepare the final concentrations 6.0 ppb and  3.0 ppb.  First, 6.00 mL of solution B was diluted by 100 mL of 1.0 M HCl to get the concentration  of 6.0 ppm. After that, 1.000 mL of the 6.0 ppm was diluted by 100 mL 1.0 M HCl to give 0.06  ppm (60.0 ppb). Finally, 10.00 mL, and 5.0 mL volumes of 60.0 ppb was added to 2 volumetric  flasks  of  100  volumes  and  diluted  to  the  mark  by  1.0  M  HCl  to  make  the  6.0  and  3.0  ppb  solutions, respectively.  

Solution C, which is 100 ppm HgCl2, was used to prepare the last four solutions (0.6, 0.3, 0.1 and  0.05) ppb. First, 6.000 mL of solution C was diluted by 100 mL of 1.0 M HCl to get 6.0 ppm.  The  6.00 ppm solution was diluted to give 0.06 ppm (60.0 ppb) by diluting 1.000 mL in 100 mL 1.0 M 

6   

Page 6 of 16

HCl.   Finally,  1.000  mL  and  0.500  mL  of  the  60  ppb  solution  was  diluted  by  100mL  1.0  M  HCl,  using volumetric flask,  in order to get 0.6 ppb and 0.5 ppb, respectively.   Another 1.000 mL of solution C was diluted in 100 mL of 1.0 M HCl in order to prepare 1.00 ppm 

ip t

solution.   The 1.00 ppm solution was diluted to give 0.01 ppm (10.0 ppb) by diluting 1.000 mL in  100.0 mL of 1.0 M HCl. Finally, 1.000 mL and 0.500 mL of the 10.0 ppb solution was diluted by 

cr

100.0 mL of 1.0 M HCl in order to get 0.10 ppb and 0.05 ppb, respectively.  

The  selectivity  was  tested  using  0.6  ppb  solutions  of  the  following  ions:  Cr2+,  Cd2+,  Cu2+,  Co2+, 

us

Fe2+,  Zn2+,  and  K+.  The  concentrations  of  the  prepared  solutions  of  Hg2+  and  other  ions  were 

an

confirmed  using  inductively  coupled  plasma mass  spectrometry  (ICP‐MS).    Electrical  measurements  of  Hg2+  sensors  were  performed  using  a  Keithley  Instruments  source 

M

measurement  unit  (KI  236).  For  sensitivity  measurements,  a  constant  voltage  of  0.001  V  was  applied  to  the  sensor,  and  electrical  current  signal  was  monitored  as  a  function  of  time. 

Ac ce pt e

Results and Discussion:

d

Nanoclusters and graphene were imaged using an atomic force microscope (AFM). 

The  fabricated  sensors  follow  a  field‐effect  transistor  (FET) structure,  where graphene  layer is  the  channel  material  while  the  p‐type  Si  substrate  is  a  back  gate.  The  source  and  drain  electrodes of the sensor are shown in Fig.2(a). Figure 2(b) shows an AFM image of graphene that  reveals homogeneous and continuous layer. The figure also shows the SiO2 substrate, where a  step was used to measure the height of graphene. The height profile of graphene is shown in  Fig.2(c), and it reveals a height of 0.8 nm which is consistent with previous publications [28].   The current – voltage (Isd(Vsd)) characteristics as a function of gate voltage (Vg) of the present FET  at room temperature are shown in Fig. 3. This figure reveals linear source – drain current within  the  range  of  applied  Vsd  voltage.  Increasing  the  gate  voltage  causes  the  current  to  increase. 

7   

Page 7 of 16

These characteristics are typical for n‐type channel FET based on graphene [29, 30]. In addition,  the characteristics do not reveal current saturation since graphene is a semiconductor with zero‐ gap [31]. 

ip t

For Hg2+ sensors with Au nanoclusters, the nanoclusters were synthesized using  P = 21 W, fAr =  40 sccm, and L = 50 and 60 mm. The size distribution as measured using QMF is shown in Fig. 

cr

4(a). The average nanocluster sizes were calculated to 4.67 ± 0.23 nm and 6.82 ± 0.30 nm for 

us

aggregation lengths of 50 and 60 mm, respectively. Nanoclusters produced using sputtering and  inert gas condensation technique are produced inside the nanocluster source chamber mainly 

an

by  two  mechanisms:  three‐body  collision,  and  two‐body  collision.  Herein,  both  mechanisms  contribute  to  the  formation  of  nanoclusters.  In  the  former  mechanism,  nanoclusters  are 

M

produced  due  collision  between  two  sputtered  atoms  and  an  argon  atom  to  remove  excess  heat.  This  process  is  essential  to  produce  nanocluster  seeds.  In  the  later  mechanism,  two 

d

nanoclusters  or  a  nanocluster  and  an  atom  collide  to  produce  larger  nanoclusters.  Therefore, 

Ac ce pt e

the  two‐body  mechanism  contribute  to  further  growth  in  nanocluster  size.  The  increase  in  nanocluster size with increasing aggregation length is a result of the increase in the aggregation  time that increases the number of collisions, thus, nanocluster grow further  [14]. In this work,  we used Au nanoclusters with an average size of 6.82 ± 0.30 nm. Figure 4(b) demonstrates an  AFM image of Au nanoclusters utilized in this work. The image illustrates a percolating film of  homogeneous  nanoclusters,  and  their  size  is  consistent  with  that  determined  from  QMF  measurements.  

Figure 5 shows the change of conductance of the fabricated Hg2+ sensors when exposed to a 0.5  mL droplet of 0.05 ppb Hg2+ solution. The figure reveals reasonable variation  in the electrical  current when exposed to Hg2+. The response of the present sensor for Hg2+ stimulant is nearly 

8   

Page 8 of 16

instantaneous. In addition, the variation in electrical current for sensors with Au nanoclusters is  one order of magnitude higher than those based on graphene only.   The decrease in the electrical current of the sensor when exposed to Hg2+ can be assigned to the 

ip t

adsorption of Hg2+ on surface of the sensor. Herein, the accumulation of positive charges from  Hg2+  ions  decreases  electron  concentration  in  n‐type  graphene  and  increases  holes 

electrical 

cr

concentration  which  in  turn  decreases  the  electrical  current.  The more significant  decrease  in 

current  for  sensors  with  Au  nanoclusters  can  be  assigned  to  additional 

us

adsorption of Hg2+ on Au nanoclusters due to their high affinity to Au. The results demonstrate 

an

the  suitability  of  using  Au  nanoclusters  to  make  the  graphene  sensors  selective  to  Hg2+  ions.  Herein, the choice of Au nanoclusters was made because of their high binding energy (Ebind) and 

M

adsorption enthalpy (ΔH) to Hg compared with other novel metals as reported previously: Ebind =  56.3 kJ/mol, and ΔH = ‐97.9 kJ/mol [32]. The increase in the sensitivity of the sensor to Hg2+ ions 

d

upon  decoration  with  Au  nanoclusters  can  be  explained  by  the  increase  in  electron  diffusive 

Ac ce pt e

scattering  at  the  surface  of  nanoclusters  because  of  the  presence  of  Hg2+  ions.  Reducing  the  dimensions of a material below the electron mean free path implies that electrical conduction  will be dominated by surface scattering. Hither, the presence of defects or adsorbates normally  act as scattering centers which causes inelastic (diffusive) electron scattering, thus, the fraction  of electrons that are diffusively scattered increase [33]. Therefore, the adsorption Hg2+ ions on  Au  nanoclusters  leads  to  a  further  increase  in  the  electrical  resistance.  As  a  result,  the  deposition of Au nanoclusters on the surface of graphene enhances the adsorption of Hg2+ ions  and  the  sensitivity  of  the  sensor  rather  than  non‐specific  adsorption  of  the  ions  on  graphene  [34].  The dependence of the absolute value of the change in electrical current signal (|ΔI|) on  Hg2+  concentration is shown in Fig. 6. This figure demonstrates that increasing the concentration of 

9   

Page 9 of 16

Hg2+ decreases |ΔI|.  This  behavior has been observed before in [34], and can be explained as  result of the increase in the p‐doping effect because of the absorption of Hg2+ on the channel,  i.e. nanoclusters/graphene [35]. The value of |ΔI| for sensors with Au nanoclusters is one to two 

ip t

orders of magnitudes high than those with graphene only. Furthermore, the detection limit of  the present sensors is 0.05 ppb which is below the limit set by the World Health Organization 

us

sensors have the potential to be used for practical applications. 

cr

(WHO)  and  that  of  the  United  States  Environmental  Protection  Agency  (USEPA),  thus,  our 

The  selectivity  of  the  sensor  was  evaluated  by  exposing  the  sensor  to  solutions  containing 

an

different  metal  ions  that  are  normally  found  in  natural  water  resources  (Cr2+,  Cd2+,  Cu2+,  Co2+,  Fe3+, Zn2+, and K+) with a fixed concentration of 0.6ppb. Figure 7 shows sensor signal for different 

M

metal  ions.  The  figure  reveals  that  the  fabricated  sensors  are  selective  to  Hg2+  ions,  and  the  selectivity is evidently enhanced for sensors with Au nanoclusters. It should be noted here that 

d

for K+ ions, the signal of the sensor based on graphene and Au nanoclusters is too low thus it 

Ac ce pt e

does not appear in the figure. The sensitivity of sensors decorated with Au nanoclusters to Hg2+  ions is higher than that for sensors made of graphene only, which could be assigned to the high  binding  affinity  of  Au  nanoclusters  to  Hg2+  ions  [33,  36].  This  can  be  explained  qualitatively  bearing in mind previous studies that investigated the binding energy of the metal ions (under  consideration  in  this  work)  with  either  graphene  or  Au  nanoclusters.  Upon  investigating  the  binding  energy  of  metal  ions  with  graphene,  it  was  reported  that  Hg2+  ions  have  the  highest  binding  energy  to  graphene  compared  to  other  ions  (Cr2+,  Cd2+,  Cu2+,  Co2+,  Fe3+,  Zn2+,  and  K+),  which exhibit slightly lower binding energy to graphene and thus their sensitivity signals are very  comparative [36‐39].The sensitivity of Au nanostructures to Hg2+ ions was found to be large due  to  their  high  binding  energy  [33].  In  addition,  the  binding  energy  of  Hg2+  ions  to  Au 

10   

Page 10 of 16

nanostructures  is  evidently  higher  than  that  to  the  other  metal  ions  investigated  in  this  work  [40‐43], which makes the graphene‐Au sensor selective to Hg2+ ions. 

ip t

Conclusion: We  presented  in  this  work  conductometric  sensors  based  on  graphene  and  gold  nanoclusters 

cr

that  can  be  utilized  for  detection  of  mercury  ions  (Hg2+).  Herein,  the  sensor  is  constructed  of  graphene on a SiO2/doped‐Si substrate. Interdigitated electrodes were deposited on the surface 

us

of  graphene  followed  by  self‐assembly  of  gold  nanocluster  percolating  film.  The  nanoclusters  were fabricated by sputtering and inert‐gas condensation technique inside an ultra‐high vacuum 

an

compatible  system,  which  could  be  utilized  by  industry.  Those  nanoclusters  are  of  high  purity 

M

and  narrow  size  distribution.  The  sensors  were  highly  sensitive  for  Hg2+  (0.05  ppb),  and  extraordinarily  selective.  The  sensing  mechanism  of  the  graphene‐based  sensors  can  be 

d

summarized  as  follows:  exposure  of  the  graphene  sensor  to    Hg2+  ions  decreases  electron 

Ac ce pt e

concentration  in  the  n‐type  graphene,  thus,  the  conductance  of  the  sensor  decreases.  Decoration of graphene with Au nanoclusters creates electron scattering centers that increase  electron diffusive scattering which decreases electrical conductance. Adsorption of Hg2+ ions on  Au nanoclusters causes further decrease in the conductance, which implies the increase in the  sensitivity and selectivity of the sensor.  

The  sensitivity  of  the  present  sensors  is  below  the  minimum  allowed  limit  of  Hg2+  in  drinking  water set by  the World  Health  Organization  and that set by the United States Environmental  Protection  Agency.  These  sensors  are  small  in  size  and  easy  to  carry  outdoor  and  have  low  power requirements, thus, they have a potential to be used for practical field applications. 

Acknowledgments: This work was supported by the United Arab Emirates University fund number 31R006.  11   

Page 11 of 16

References:

Ac ce pt e

d

M

an

us

cr

ip t

[1]  W.  Chemnasiri,  F.E.  Hernandez.  Gold  nanorod‐based  mercury  sensor  using  functionalized glass substrates, Sensors and Actuators B: Chemical 173 (2012) 322‐328.  [2]  Y. Li, H. Huang, Y. Li, X. Su. Highly sensitive fluorescent sensor for mercury (II) ion based  on  layer‐by‐layer  self‐assembled  films  fabricated  with  water‐soluble  fluorescent  conjugated  polymer, Sensors and Actuators B: Chemical 188 (2013) 772‐777.  [3]  B. Wang, S. Zhuo, L. Chen, Y. Zhang. Fluorescent graphene quantum dot nanoprobes for  the sensitive and selective detection of mercury ions, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and  Biomolecular Spectroscopy 131 (2014) 384‐387.  [4]  WHO.  Guidelines  for  drinking‐water  quality.  Fourth  edition  ed.,  World  Health  Organization, 2011.  [5]  E.  U.S.  Drinking  Water  Contaminants.  http://water.epa.gov/drink/contaminants/index.cfm#list, 2011.  [6]  M.K.  Kim,  K.  Shanmuga  Sundaram,  G.  Anantha  Iyengar,  K.‐P.  Lee.  A  novel  chitosan  functional gel included with multiwall carbon nanotube and substituted polyaniline as adsorbent  for efficient removal of chromium ion, Chemical Engineering Journal 267 (2015) 51‐64.  [7]  H. Okyere, R.B. Voegborlo, S.E. Agorku. Human exposure to mercury, lead and cadmium  through  consumption  of  canned  mackerel,  tuna,  pilchard  and  sardine,  Food  Chemistry  179  (2015) 331‐335.  [8]  M.P.  Rodríguez‐Reino,  R.  Rodríguez‐Fernández,  E.  Peña‐Vázquez,  R.  Domínguez‐ González,  P.  Bermejo‐Barrera,  A.  Moreda‐Piñeiro.  Mercury  speciation  in  seawater  by  liquid  chromatography‐inductively  coupled  plasma‐mass  spectrometry  following  solid  phase  extraction  pre‐concentration  by  using  an  ionic  imprinted  polymer  based  on  methyl‐mercury– phenobarbital interaction, Journal of Chromatography A.  [9]  N.  Aksuner,  B.  Basaran,  E.  Henden,  I.  Yilmaz,  A.  Cukurovali.  A  sensitive  and  selective  fluorescent  sensor  for  the  determination  of  mercury(II)  based  on  a  novel  triazine‐thione  derivative, Dyes and Pigments 88 (2011) 143‐148.  [10]  W. Chansuvarn, T.  Tuntulani, A. Imyim.  Colorimetric  detection of mercury(II) based on  gold  nanoparticles,  fluorescent  gold  nanoclusters  and  other  gold‐based  nanomaterials,  TrAC  Trends in Analytical Chemistry 65 (2015) 83‐96.  [11]  A.I. Ayesh, S.T. Mahmoud, S.J. Ahmad, Y. Haik. Novel hydrogen gas sensor based on Pd  and SnO2 nanoclusters, Materials Letters 128 (2014) 354‐357.  [12]  J.v.  Lith,  A.  Lassesson,  S.A.  Brown,  M.  Schulze,  J.G.  Partridge,  A.  Ayesh.  A  hydrogen  sensor based on tunnelling between palladium clusters, Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 181910.  [13]  A.I. Ayesh. Gas Sensor Applications using Atomic Nanoclusters. in: Naveen Kumar Navani  SS, and J.N. Govil, (Ed.). Nanosensing, vol. 10. Studium Press LLC, Houston, TX 77072, USA, 2012.  [14]  A.I. Ayesh, N. Qamhieh, H. Ghamlouche, a.M.E.‐S. S. Thaker. Fabrication of size‐selected  Pd nanoclusters using a magnetron plasma sputtering source, J. Appl. Phys. 107 (2010) 034317   [15]  A.I. Ayesh, S. Thaker, N. Qamhieh, H. Ghamlouche. Size‐controlled Pd nanocluster grown  by plasma gas‐condensation method, J. Nanopart. Res. 13 (2011) 1125.  [16]  M. Penza, R. Rossi, M. Alvisi, G. Cassano, E. Serra. Functional characterization of carbon  nanotube networked films functionalized with tuned loading of Au nanoclusters for gas sensing  applications, Sensors and Actuators B: Chemical 140 (2009) 176‐184.  [17]  J.M.  Pingarrón,  P.  Yáñez‐Sedeño,  A.  González‐Cortés.  Gold  nanoparticle‐based  electrochemical biosensors, Electrochimica Acta 53 (2008) 5848‐5866. 

12   

Page 12 of 16

Ac ce pt e

d

M

an

us

cr

ip t

[18]  T.N.  Huan,  L.Q.  Hung,  V.T.T.  Ha,  N.H.  Anh,  T.  Van  Khai,  K.B.  Shim,  H.  Chung.  Spirally  oriented Au microelectrode array sensor for detection of Hg (II), Talanta 94 (2012) 284‐288.  [19]  D. Martín‐Yerga, M.B. González‐García, A. Costa‐García. Use of nanohybrid materials as  electrochemical transducers for mercury sensors, Sensors and Actuators B: Chemical 165 (2012)  143‐150.  [20]  K.‐I. Chen, B.‐R. Li, Y.‐T. Chen. Silicon nanowire field‐effect transistor‐based biosensors  for biomedical diagnosis and cellular recording investigation, Nano Today 6 (2011) 131‐154.  [21]  K.  Novoselov,  S.  Morozov,  D.  Jiang,  Y.  Zhang,  S.  Dubonos,  I.  Grigorieva,  A.  Firsov.  Electric field effect in atomically thin carbon films, Science 306 (2004) 666‐669.  [22]  Y.H.  Kwak,  D.S.  Choi,  Y.N.  Kim,  H.  Kim,  D.H.  Yoon,  S.‐S.  Ahn,  J.‐W.  Yang,  W.S.  Yang,  S.  Seo. Flexible glucose sensor using CVD‐grown graphene‐based field effect transistor, Biosensors  and Bioelectronics 37 (2012) 82‐87.  [23]  G. Aragay, A. Merkoçi. Nanomaterials application in electrochemical detection of heavy  metals, Electrochimica Acta 84 (2012) 49‐61.  [24]  R.  Pearce,  T.  Iakimov,  M.  Andersson,  L.  Hultman,  A.L.  Spetz,  R.  Yakimova.  Epitaxially  grown graphene based gas sensors for ultra sensitive NO2 detection, Sensors and Actuators B:  Chemical 155 (2011) 451‐455.  [25]  D. Bradley. Graphene gas sensor: Carbon, Materials Today 15 (2012) 233.  [26]  A.I.  Ayesh,  N.  Qamhieh,  S.T.  Mahmoud,  H.  Alawadhi.  Fabrication  of  size‐selected  bimetallic nanoclusters using magnetron sputtering, Journal of Materials Research 27 (2012).  [27]  A.I.  Ayesh.  Electronic  transport  in  Pd  nanocluster  devices,  Applied  Physics  Letters  98  (2011) 133108.  [28]  P. Nemes‐Incze, Z. Osváth, K. Kamarás, L.P. Biró. Anomalies in thickness measurements  of graphene and few layer graphite crystals by tapping mode atomic force microscopy, Carbon  46 (2008) 1435‐1442.  [29]  F. Schwierz. Graphene transistors, Nature Nanotechnology 5 (2010).  [30]  S.J.  Park,  O.S.  Kwon,  S.H.  Lee,  H.S.  Song,  T.H.  Park,  J.  Jang.  Ultrasensitive  Flexible  Graphene Based Field‐Effect Transistor (FET)‐ Type Bioelectronic Nose, Nano Letters 12 (2012)  5082−5090   [31]  Y.‐M. Lin, K.A. Jenkins, A. Valdes‐Garcia, J.P. Small, D.B. Farmer, P. Avouris. Operation of  Graphene Transistors at Gigahertz Frequencies, Nano Letters 9 (2009) 422‐426.  [32]  V.  Pershina,  T.  Bastug,  T.  Jacob,  B.  Fricke,  S.  Varga.  Intermetallic  compounds  of  the  heaviest  elements:  the  electronic  structure  and  bonding  of  dimers  of  element  112  and  its  homolog Hg, Chemical Physics Letters 365 (2002) 176‐183.  [33]  Z. Liu, P.C. Searson. Single Nanoporous Gold Nanowire Sensors, The Journal of Physical  Chemistry B 110 (2006) 4318‐4322.  [34]  Z.  Yin,  Q.  He,  X.  Huang,  J.  Zhang,  S.  Wu,  P.  Chen,  G.  Lu,  P.  Chen,  Q.  Zhang,  Q.  Yan,  H.  Zhang. Real‐time DNA detection using Pt nanoparticle‐decorated reduced graphene oxide field‐ effect transistors, Nanoscale 4 (2012).  [35]  X. Dong, Y. Shi, W. Huang, P. Chen, L.J. Li. Electrical Detection of DNA Hybridization with  Single‐Base  Specificity  Using  Transistors  Based  on  CVD‐Grown  Graphene  Sheets,  Advanced  Materials 22 (2010) 1649–1653.  [36]  C.  Yu,  Y.  Guo,  H.  Liu,  N.  Yan,  Z.  Xu,  G.  Yu,  Y.  Fang,  Y.  Liu.  Ultrasensitive  and  selective  sensing  of  heavy  metal  ions  with  modified  graphene,  Chemical  Communications  49  (2013)  6492—6494.  [37]  D. Umadevi, G.N. Sastry. Metal ion binding with carbon nanotubes and graphene: Effect  of chirality and curvature, Chemical Physics Letters 549 (2012) 39‐43. 

13   

Page 13 of 16

Ac ce pt e

d

M

an

us

cr

ip t

[38]  W. Su, M. Cho, J.‐D. Nam, W.‐S. Choe, Y. Lee. Highly sensitive electrochemical lead ion  sensor  harnessing  peptide  probe  molecules  on  porous  gold  electrodes,  Biosensors  and  Bioelectronics 48 (2013) 263‐269.  [39]  D.  Gu,  J.B.  Fein.  Adsorption  of  metals  onto  graphene  oxide:  Surface  complexation  modeling  and  linear  free  energy  relationships,  Colloids  and  Surfaces  A:  Physicochemical  and  Engineering Aspects.  [40]  S.A.  Siddiqui,  N.  Bouarissa,  T.  Rasheed,  M.S.  Al‐Assiri.  Quantum  chemical  study  of  the  interaction  of  elemental  Hg  with  small  neutral,  anionic  and  cationic  Aun  (n = 1–6)  clusters,  Materials Research Bulletin 48 (2013) 995‐1002.  [41]  K.W.  Frese  Jr.  The  reorganization  energy  of  the  aqueous  proton,  Journal  of  Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry 249 (1988) 15‐24.  [42]  M.H. Bradbury, B. Baeyens. Modelling the sorption of Mn(II), Co(II), Ni(II), Zn(II), Cd(II),  Eu(III),  Am(III),  Sn(IV),  Th(IV),  Np(V)  and  U(VI)  on  montmorillonite:  Linear  free  energy  relationships  and  estimates  of  surface  binding  constants  for  some  selected  heavy  metals  and  actinides, Geochimica et Cosmochimica Acta 69 (2005) 875‐892.  [43]  D.  Sareen,  P.  Kaur,  K.  Singh.  Strategies  in  detection  of  metal  ions  using  dyes,  Coordination Chemistry Reviews 265 (2014) 125‐154.   

14   

Page 14 of 16

Figure Captions: Fig. 1: Schematic diagram of the ultra‐high vacuum system and nanocluster deposition. 

ip t

Fig. 2: (a) Image of a graphene based sensor and electrode structure. (b) AFM image of graphene 

layer. The line indicates the location where the height profile was measured. (c) Height profile of 

cr

graphene and SiO2 substrate as measured using the AFM. 

us

Fig. 3: Current‐voltage characteristics as a function of gate voltage for graphene sensors.  Fig. 4: (a) Size distribution of Au nanoclusters as measured by the QMF. The nanoclusters were 

an

produced using P = 21 W and fAr = 40 sccm. (b) AFM image of the produced Au nanoclusters with  L = 60mm. 

M

Fig. 5: Electrical current response signal of a graphene based sensor for DI water with 0.05 ppb  Hg2+. (a) Sensor with graphene only, and (b) sensor with graphene and Au nanoclusters. 

d

Fig. 6: Response signal of Hg2+ as a function of concentration in DI water for sensors based on 

Ac ce pt e

either graphene only or graphene and Au nanoclusters.  Fig.  7:  Sensitivity  histogram  of  the graphene  based sensors  for 0.6 ppb solutions of Cr2+,  Cd2+,  Cu2+, Co2+, Fe3+, Zn2+, and K+.                  15   

Page 15 of 16

Ac ce pt e

d

M

an

us

cr

ip t

I) Dr. Ahmad I. Ayesh  Associate Professor, Physics of Nanomaterials, Physics Program ‐ Department  of Mathematics, Statistics and Physics, Qatar University, Doha, Qatar   Dr.  Ayesh  is  the  leader  of  the  nanocluster  devices  group  at  United  Arab  Emirates  University.  He  is  expert  in  the  nano‐  and micro‐  device fabrication  using  both  the  top‐down  and  bottom‐up  approaches  as  well  as  the  self‐ assembly of the nanostructure within the device. Furthermore, he is expert in  nanomaterial fabrication and characterization.    II) Miss. Zainab Karam  MSC student at Masdar Institute, Abu Dhabi, UAE    III) Dr. Falah Awwad  Associate Professor, Department of Electrical Engineering, United Arab Emirates University,  Al Ain, United Arab Emirates   Dr.  Falah  Awwad  received  the  M.A.Sc.  and  Ph.D.  degrees  in  Electrical  and  Computer  Engineering  from  Concordia  University  (Montreal,  QC,  Canada)  in  2002  and  2006,  respectively.  He  was  a  Post‐Doctoral  Fellow  at  Ecole  Polytechnique  de  Montréal  and  Concordia  University,  Montreal,  QC,  Canada.  Between  August  2007  –  Feb.  2013,  he  was  an  Assistant  Professor  with  the  College  of  Information  Technology  (CIT)  at  United  Arab  Emirates  University. Currently, he is an Associate Professor with the Department of Electrical Engineering  – College of Engineering (UAE University). He is a member of the editorial Board of Journal of  “Nanomaterials  &  Molecular  Nanotechnology”  and  "Austin  Journal  of  Nanomedicine  &  Nanotechnology".  He  is  the  recipient  of  the  CIT  Faculty  Outstanding  Service  Award.  The  evaluation was done based on his professional and community service during the period 2009 ‐  2012.  His  scientific  research  interests  are  Low‐Power  High‐Speed  VLSI  Systems  including  repeater‐insertion  methodologies  for  on‐chip  interconnects,  Biomedical  Imaging  Systems,  Network  on  Chip,  Wireless  Body  Sensors/Sensor  Networks,  and  Network  Communication  algorithms.    IV) Dr. Mohammed A. Meetani  Associate  Professor,  Chemistry  Department,  United  Arab  Emirates  University,  Al  Ain,  United  Arab Emirates.  Dr. Meetani received his PhD in Applied Analytical Chemistry from Colorado School of Mines in  2003. He is expert in the following fields of research: Biological mass spectrometry, Degradation  studies  of  environmental  organic  pollutants,  Peptides/  protein  sequencing,  Pyrolysis  mass  spectrometry,  Studying  the  structural  properties  of  cellulose  nanofibrous  membranes,  development of chromatographic methods for chemical analysis     

16   

Page 16 of 16