Onderzoek aan de Oregon State University heeft de wetenschap dichter bij de ontwikkeling van een elektronische neus gebracht voor het bewaken van de luchtkwaliteit. het detecteren van veiligheidsbedreigingen en het diagnosticeren van ziekten door gassen in de adem van een patiënt te meten.

Recent gepubliceerd onderzoek onder leiding van Cory Simon, assistent-professor chemische technologie aan het OSU College of Engineering, in samenwerking met professor chemische technologie Chih-Hung Chang gericht op materialen die bekend staan ​​als metaal-organische raamwerken, of MOF's.

Het onderzoek was gericht op een kritische maar onderbelichte hindernis bij het gebruik van MOF's als gassensoren:van de miljarden mogelijke MOF's, hoe bepaal je de juiste voor het bouwen van de optimale elektronische neus?

MOF's hebben poriën van nanogrootte en adsorberen selectief gassen, vergelijkbaar met een spons. Ze zijn ideaal voor gebruik in sensorarrays vanwege hun afstembaarheid, waardoor ingenieurs een gevarieerde set materialen kunnen gebruiken waarmee een reeks MOF-gebaseerde sensoren gedetailleerde informatie kunnen leveren.

Afhankelijk van uit welke componenten een gas bestaat, verschillende hoeveelheden van het gas zullen in elke MOF worden geadsorbeerd. Dat betekent dat de samenstelling van een gas kan worden afgeleid door het geadsorbeerde gas in de reeks MOF's te meten met behulp van microschaalbalansen.

De uitdaging is dat alle MOF's alle gassen adsorberen - niet in dezelfde mate, maar niettemin verhindert de afwezigheid van perfecte selectiviteit een ingenieur om simpelweg te zeggen:"laten we deze MOF gewoon wijden aan koolstofdioxide, die tot zwaveldioxide, en een andere aan stikstofdioxide."

"Het samenstellen van MOF's voor gassensorarrays is niet zo eenvoudig, omdat elke MOF in de array alle drie die gassen aanzienlijk zal adsorberen, " Simon zegt.

Menselijke neuzen navigeren door ditzelfde probleem door te vertrouwen op ongeveer 400 verschillende soorten reukreceptoren. Net als de MOF's, elke reukreceptor wordt geactiveerd door veel verschillende geuren, en elke geur activeert veel verschillende receptoren; de hersenen analyseren het reactiepatroon, waardoor mensen een veelheid aan verschillende geuren kunnen onderscheiden.

"Bij ons onderzoek we hebben een wiskundig raamwerk gecreëerd dat ons in staat stelt, gebaseerd op de adsorptie-eigenschappen van MOF's, om te beslissen welke combinatie van MOF's optimaal is voor een gassensorarray, Simon zei. "Er zullen onvermijdelijk kleine fouten zijn in de metingen van de massa geadsorbeerd gas, en die fouten zullen de voorspelling van de gassamenstelling op basis van de respons van de sensorarray bederven. Ons model beoordeelt hoe goed een bepaalde combinatie van MOF's zal voorkomen dat die kleine fouten de schatting van de gassamenstelling aantasten."

Hoewel het onderzoek voornamelijk wiskundige modellering was, de wetenschappers gebruikten experimentele adsorptiegegevens in echte MOF's als invoer, Simon zegt, eraan toevoegend dat Chang een experimentator is "met wie we samenwerken om een ​​echte elektronische neus te maken om luchtverontreinigende stoffen te detecteren."

"We zijn momenteel samen op zoek naar externe financiering om dit nieuwe concept fysiek te realiseren, "Zei Simon. "Vanwege dit papier, we hebben nu een rationele methode om de sensorische array computationeel te ontwerpen, die het simuleren van gasadsorptie in de MOF's omvat met moleculaire modellen en simulaties om hun adsorptie-eigenschappen te voorspellen, en vervolgens onze wiskundige methode gebruiken om de verschillende combinaties van MOF's te screenen voor de meest nauwkeurige sensorarray."

Dit betekent dat in plaats van een experimentele trial-and-error-aanpak om te beslissen welke MOF's in een sensorarray moeten worden gebruikt, ingenieurs kunnen rekenkracht gebruiken om de beste verzameling MOF's voor een elektronische neus samen te stellen.

Een andere opwindende toepassing van zo'n neus zou het diagnosticeren van ziekten kunnen zijn. De vluchtige organische stoffen die mensen uitstoten, zoals door onze adem, zijn gevuld met biomarkers voor meerdere ziekten, en studies hebben aangetoond dat honden - die twee keer zoveel verschillende reukreceptoren hebben als mensen - ziekten kunnen detecteren met hun neus.

Hoe geweldig ze ook zijn, echter, hondenneuzen zijn niet zo praktisch voor wijdverbreid diagnostisch gebruik als een zorgvuldig vervaardigde en vervaardigde sensorarray zou zijn.

De bevindingen van het computationele MOF-onderzoek zijn gepubliceerd in: ACS toegepaste materialen en interfaces .