Wat als je zou kunnen testen op cocaïne, opioïden en marihuana zo snel als een blaastest alcohol identificeert?

een nieuwe, goedkope chemische detectiechip brengt ons een stap dichter bij deze technologie, die al lang op de verlanglijst staat van politieagenten en anderen die drugsgebruik willen controleren en gevaarlijk rijgedrag willen beteugelen.

De chip kan worden geïntegreerd in een handheld, draagbaar apparaat voor het opsporen van drugs in biologische monsters zoals bloed, adem, urine of spuug.

"Momenteel, er is een grote vraag naar drugstesten op locatie, " zegt Qiaoqiang Gan, doctoraat, universitair hoofddocent elektrotechniek aan de Universiteit van Buffalo School of Engineering and Applied Sciences. "De high-performance chip die we hebben ontworpen, was in staat om cocaïne binnen enkele minuten te detecteren in onze experimenten. Het is ook goedkoop:het kan worden geproduceerd met grondstoffen die ongeveer 10 cent kosten, en de fabricagetechnieken die we hebben gebruikt, zijn ook goedkoop."

"In de toekomst, we hopen deze technologie ook te gebruiken om andere drugs op te sporen, inclusief marihuana, " voegt hij eraan toe. "De toenemende legalisering van marihuana roept veel maatschappelijke problemen op, inclusief de behoefte aan een systeem om bestuurders snel te testen op drugsgebruik."

Gan ontwikkelde de nieuwe chip met een team dat bestond uit de eerste auteurs Jun Gao, een onderzoeksmedewerker van Material Sciences aan de Fudan University in China, en Nan Zhang, een promovendus aan de UB, samen met collega's van de faculteit Elektrotechniek van de UB; het UB Onderzoeksinstituut Verslavingen; en de UB-afdeling Community Health and Health Behaviour in de UB School of Public Health and Health Professions.

De studie, gefinancierd door de National Science Foundation, werd op 7 mei gepubliceerd in het tijdschrift Kleine methoden .

De chemische vingerafdruk van cocaïne en andere drugs detecteren

De nieuwe chip is een gemanipuleerde nanostructuur die licht vangt aan de randen van gouden en zilveren nanodeeltjes. Wanneer biologische of chemische moleculen op het oppervlak van de chip landen, een deel van het opgevangen licht interageert met de moleculen en wordt "verstrooid" in licht van nieuwe energieën. Dit effect treedt op in herkenbare patronen die fungeren als vingerafdrukken, onthullende informatie over welke verbindingen aanwezig zijn.

Omdat alle chemicaliën – cocaïne, opioïden, en actieve ingrediënten in marihuana - hebben hun unieke lichtverstrooiende kenmerken, onderzoekers kunnen de technologie gebruiken om snel een breed scala aan chemicaliën te identificeren.

Deze detectiemethode wordt oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie (SERS) genoemd, en het is niet nieuw. Maar de chip die het team van Gan heeft ontwikkeld, valt op door zijn hoge prestaties en lage kosten.

"SERS belooft veel voor snelle detectie van drugs en andere chemicaliën, maar de materialen die nodig zijn om de waarneming uit te voeren zijn meestal vrij duur, " zegt Zhang. "De chips die voor SERS worden gebruikt, worden meestal gefabriceerd met behulp van dure methoden, zoals lithografie, die specifieke patronen creëert op een metalen ondergrond. We hebben onze chip gemaakt door verschillende dunne materiaallagen op een glassubstraat aan te brengen, die kosteneffectief is en geschikt is voor productie op industriële schaal."

Een optische laagcake

De nieuwe chip - een structuur die bekend staat als een meta-oppervlak - lijkt op een laagcake, met meerdere horizontale lagen materiaal op elkaar.

specifiek, de technologie bestaat uit een vel diëlektrisch materiaal (bijv. siliciumdioxide, aluminiumoxide, enz.) ingeklemd tussen een zilveren spiegel (de basis van de chip) en een hybride nanomateriaal gemaakt van gouden en zilveren nanodeeltjes (het actieve oppervlak van de chip).

Deze architectuur is ideaal voor SERS:Moleculen van cocaïne of andere stoffen vallen in de kleine ruimtes tussen de nanodeeltjes op het oppervlak van de chip. Vervolgens, wanneer de structuur wordt blootgesteld aan licht om te testen, de zilveren spiegel en de diëlektrische laag fungeren als een "optische holte, " licht manipuleren op een manier die het aantal fotonen aan het oppervlak van de chip vergroot. dit intensiveert de verstrooiingssignatuur van gedetecteerde verbindingen, wat de detectie verbetert.

De technologie is lang houdbaar, waarbij onderzoekers ontdekten dat het goed presteerde na een jaar opslag. De lange levensduur van de chip is deels te danken aan het ontwerp van het oppervlak:de gouden nanodeeltjes, die als laatste zijn gedeponeerd, helpen de zilveren nanodeeltjes af te schermen van de lucht, die oxidatie voorkomt, degradatie en aanslag.

"Met onze structuur we kunnen in de loop van de tijd zowel hoge prestaties als stabiele prestaties realiseren, "zegt Gans.

De volgende stap in het onderzoek is het installeren van de chip in een eenvoudige, draagbaar testapparaat. Deze technologie zou eerst bloed laten stromen, adem, urine of speeksel door een zuiveringsproces dat specifieke moleculen extraheert, zoals cocaïne of andere drugs. Vervolgens, alle chemicaliën die via deze procedure worden opgevangen, worden voor detectie en identificatie naar de chip overgebracht.