Inspiriert von der Biologie der Geruchsrezeptoren bei Hunden, entwickeln die Wissenschaftler von UC Santa Barbara einen Chip, mit dem Spuren von Dampfmolekülen schnell identifiziert werden können
Dank Forschern an der University of California, Santa Barbara, könnten tragbare, genaue und hochempfindliche Geräte, die Dämpfe aus Sprengstoffen und anderen Substanzen herausschnüffeln, an öffentlichen Orten ebenso alltäglich werden wie Rauchmelder.
Konzeption des mikroskaligen Mikrofluidikkanals mit freier Oberfläche, der Dampfmoleküle konzentriert, die sich in einer Kammer an Nanopartikel binden. Ein Laserstrahl detektiert die Nanopartikel, die eine spektrale Signatur der detektierten Moleküle verstärken. Bildnachweis: UC Santa Barbara.
Forscher der UCSB, angeführt von den Professoren Carl Meinhart für Maschinenbau und Martin Moskovits für Chemie, haben einen Detektor entwickelt, der mithilfe der mikrofluidischen Nanotechnologie den biologischen Mechanismus nachahmt, der hinter Geruchsrezeptoren für Hunde steckt. Das Gerät ist sowohl hochempfindlich gegenüber Spuren bestimmter Dampfmoleküle als auch in der Lage, eine bestimmte Substanz von ähnlichen Molekülen zu unterscheiden.
„Hunde sind immer noch der Goldstandard für die Geruchserkennung von Sprengstoffen. Aber wie ein Mensch kann ein Hund einen guten oder einen schlechten Tag haben, müde oder abgelenkt sein “, sagte Meinhart. „Wir haben ein Gerät entwickelt, das die gleiche oder eine bessere Empfindlichkeit aufweist als eine Hundenase, die in einen Computer eingespeist wird, um genau zu berichten, welche Art von Molekül erkannt wird.“ Der Schlüssel zu ihrer Technologie liegt in der Verschmelzung von Prinzipien aus dem Maschinenbau und Chemie in einer Zusammenarbeit, die das Institut für kollaborative Biotechnologien der UCSB ermöglicht.
Die in diesem Monat in Analytical Chemistry veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass ihr Gerät in der Luft befindliche Moleküle einer Chemikalie namens 2,4-Dinitrotoluol nachweisen kann, dem Primärdampf, der aus Sprengstoffen auf TNT-Basis austritt. Die menschliche Nase kann so kleine Mengen einer Substanz nicht nachweisen, aber "Schnüffler" -Hunde werden seit langem eingesetzt, um diese Art von Molekülen zu verfolgen. Ihre Technologie ist vom biologischen Design und der mikroskaligen Größe der Riechschleimschicht des Hundes inspiriert, die in der Luft befindliche Moleküle absorbiert und anschließend konzentriert.
„Das Gerät ist in der Lage, bestimmte Arten von Molekülen bei Konzentrationen von 1 ppb oder darunter in Echtzeit zu erkennen und zu identifizieren. Seine Spezifität und Empfindlichkeit sind beispiellos “, sagte Dr. Brian Piorek, ehemaliger Doktorand für Maschinenbau in Meinharts Labor und Chefwissenschaftler bei SpectraFluidics, Inc. In Santa Barbara. Die Technologie wurde patentiert und exklusiv an SpectraFluidics lizenziert, ein Unternehmen, das Piorek 2008 zusammen mit privaten Investoren gegründet hat.
„Unser Forschungsprojekt bringt nicht nur verschiedene Disziplinen zusammen, um etwas Neues zu entwickeln, sondern schafft auch Arbeitsplätze für die lokale Gemeinschaft und hoffentlich für die Gesellschaft im Allgemeinen“, kommentierte Meinhart.
Die zugrunde liegende Technologie ist auf einem fingergroßen Silizium-Mikrochip verpackt und wird in der hochmodernen Reinraumanlage von UCSB hergestellt. Sie kombiniert Mikrofluidik mit oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS), um Moleküle einzufangen und zu identifizieren. Ein mikroskaliger Flüssigkeitskanal absorbiert und konzentriert die Moleküle um bis zu sechs Größenordnungen. Sobald die Dampfmoleküle im Mikrokanal absorbiert sind, interagieren sie mit Nanopartikeln, die ihre spektrale Signatur verstärken, wenn sie durch Laserlicht angeregt werden. Eine Computerdatenbank mit Spektralsignaturen identifiziert, welche Art von Molekül erfasst wurde.
"Das Gerät besteht aus zwei Teilen", erklärte Moskovits. "Es gibt einen Mikrokanal, der wie ein winziger Fluss ist, mit dem wir die Moleküle einfangen und dem anderen Teil präsentieren, ein Minispektrometer, das von einem Laser angetrieben wird, der sie erkennt. Diese Mikrokanäle sind zwanzigmal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. “
"Mit der Technologie könnten unterschiedlichste Moleküle nachgewiesen werden", sagte Meinhart. "Die Anwendungen könnten sich auf bestimmte Krankheitsdiagnosen oder den Nachweis von Betäubungsmitteln erstrecken, um nur einige zu nennen."
Moskovits fügte hinzu: "Das von uns veröffentlichte Papier konzentrierte sich auf Sprengstoffe, aber es muss nicht unbedingt Sprengstoffe sein. Es könnte Moleküle aus dem Atem eines Menschen erkennen, die beispielsweise auf eine Krankheit hinweisen, oder verdorbene Lebensmittel. "
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