Inspireret af biologien fra hundeduftreceptorer udvikler UC Santa Barbara forskere en chip, der hurtigt kan identificere spormængder af dampmolekyler
Bærbare, nøjagtige og meget følsomme enheder, der sluger dampe fra sprængstoffer og andre stoffer kunne blive lige så almindelige som røgdetektorer på offentlige steder takket være forskere ved University of California, Santa Barbara.
Begrebsillustration af den mikrofluidiske kanal med fri overflade, når den koncentrerer dampmolekyler, der binder til nanopartikler inde i et kammer. En laserstråle detekterer nanopartiklerne, som forstærker en spektral signatur af de detekterede molekyler. Billedkredit: UC Santa Barbara.
Forskere ved UCSB, ledet af professorer Carl Meinhart i maskinteknik og Martin Moskovits i kemi, har designet en detektor, der bruger mikrofluidisk nanoteknologi til at efterligne den biologiske mekanisme bag hunde duftreceptorer. Enheden er både meget følsom over for spormængder af visse dampmolekyler og er i stand til at fortælle et specifikt stof bortset fra lignende molekyler.
”Hunde er stadig guldstandarden for opdagelse af duft af eksplosiver. Men som en person kan en hund have en god dag eller en dårlig dag, blive træt eller distraheret, ”sagde Meinhart. ”Vi har udviklet en enhed med den samme eller bedre følsomhed som en hundes næse, der fodrer ind i en computer for at rapportere nøjagtigt, hvilken type molekyle det detekterer.” Nøglen til deres teknologi, forklaret Meinhart, ligger i sammenlægningen af principper fra maskinteknik og kemi i et samarbejde muliggjort af UCSBs Institut for Collaborative Biotechnologies.
Resultater, der blev offentliggjort denne måned i Analytical Chemistry, viser, at deres enhed kan detektere luftbårne molekyler af et kemikalie kaldet 2,4-dinitrotoluen, den primære damp, der stammer fra TNT-baserede sprængstoffer. Den menneskelige næse kan ikke registrere så små mængder af et stof, men "sniffer" -hunde er længe blevet brugt til at spore disse typer molekyler. Deres teknologi er inspireret af det biologiske design og mikroskalestørrelse af slimhindens slimfladelag, som absorberer og derefter koncentrerer luftbårne molekyler.
”Enheden er i stand til realtidsdetektion og identifikation af visse typer molekyler i koncentrationer på 1 ppb eller derunder. Dets specificitet og følsomhed er uden sidestykke, ”sagde Dr. Brian Piorek, tidligere maskiningeniørstuderende i Meinharts laboratorium og Chief Scientist ved Santa Barbara-baserede SpectraFluidics, Inc. Teknologien er patenteret og udelukkende licenseret til SpectraFluidics, et selskab, som Piorek grundlagde i 2008 med private investorer.
”Vores forskningsprojekt bringer ikke kun forskellige discipliner sammen for at udvikle noget nyt, men det skaber også job for lokalsamfundet og forhåbentlig gavner samfundet generelt,” kommenterede Meinhart.
Den underliggende teknologi er pakket på en fingerstørrelse siliciummikrochip og fremstillet ved UCSBs avancerede renrumsfacilitet. Den underliggende teknologi kombinerer fri overflademikrofluidik og overfladeforbedret Raman-spektroskopi (SERS) for at fange og identificere molekyler. En mikroskala kanal af væske absorberer og koncentrerer molekylerne med op til seks størrelsesordener. Når dampmolekylerne er absorberet i mikrokanalen, interagerer de med nanopartikler, der forstærker deres spektrale signatur, når de ophidses af laserlys. En computerdatabase med spektrale signaturer identificerer, hvilken type molekyle der er blevet fanget.
”Enheden består af to dele,” forklarede Moskovits. ”Der er en mikrokanal, der er som en lille flod, som vi bruger til at fange molekylerne og præsentere dem for den anden del, et minispektrometer drevet af en laser, der detekterer dem. Disse mikrokanaler er tyve gange mindre end tykkelsen på et menneskehår. ”
"Teknologien kunne bruges til at detektere en meget bred vifte af molekyler," sagde Meinhart. ”Ansøgningerne kunne udvide til visse sygdomsdiagnoser eller påvisning af narkotika for at nævne nogle få.”
Moskovits tilføjede, ”Det papir, vi offentliggjorde, fokuserede på sprængstoffer, men det behøver ikke at være eksplosiver. Det kunne detektere molekyler fra andres åndedrag, der kan indikere for eksempel sygdom eller mad, der har forkælet. ”
Via UC Santa Barbara