Science >> Wetenschap >  >> Chemie

Onderzoeksteam ontwerpt kleinschalige chemische neus

(A) Schematische weergave van een vierkante reeks van 9x9 elastische palen in een met vloeistof gevulde rechthoekige kamer met afmetingen 4x4x1 mm 3 met vijf met enzymen beklede palen:één met CAT (catalase) in het midden (blauw), twee met AP (zure fosfatase) langs de centrale lijn in de x-richting (roze), en twee met urease op de hoeken (oranje). Door het toevoegen van geschikte chemicaliën (waterstofperoxide, p-nitrofenylefosfaat en ureum) zorgt de chemische reactie op het oppervlak van de gecoate palen voor een opwaartse of inwaartse stroom die de nabijgelegen palen vervormt. (B) Zijaanzicht van het stromingsveld dat wordt gegenereerd door een met enzymen beklede paal die een inwaartse (CAT of AP) en een buitenwaartse (urease) stroming genereert als gevolg van het opgeloste drijfvermogen. (C en D) Bovenaanzicht van de configuratie van een vierkante reeks van 9x9 elastische palen na toevoeging van waterstofperoxide, p-nitrofenylefosfaat en ureum, voor periodieke (C) en wand (D) randvoorwaarden. Credit:Proceedings van de National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2319777121

De neus van een levend organisme is in wezen een biologische molecuuldetector die neurologische signalen naar de hersenen stuurt, die vervolgens een bepaalde geur decoderen. Menselijke neuzen, met zes miljoen reukreceptoren, kunnen meer dan een biljoen geuren onderscheiden, terwijl sommige hondenneuzen tot 300 miljoen receptoren bezitten, die zorgen voor een verhoogde gevoeligheid in delen per biljoen.

"Elektronische neuzen" zijn elektronische apparaten die verdampte geuren en smaken kunnen "snuiven" en identificeren. Deze synthetische neuzen zijn doorgaans verbonden met een aanzienlijke hoeveelheid laboratoriumapparatuur en zijn niet gemakkelijk draagbaar, wat onderzoekers motiveert om nieuwe, transporteerbare sensoren te bedenken die een breed scala aan chemicaliën kunnen identificeren.

Onderzoekers van de Swanson School of Engineering van de Universiteit van Pittsburgh hebben dat potentieel vergroot door een kleinschalig systeem te ontwerpen dat driedimensionale patronen vormt, die dienen als chemische ‘vingerafdrukken’ waarmee chemicaliën in oplossingen kunnen worden geïdentificeerd. Hoofdonderzoeker is Anna C. Balazs, hoogleraar chemische technologie, met hoofdauteur en postdoc Moslem Moradi, en postdoc Oleg E. Shklyaev. Het werk verschijnt in Proceedings of the National Academy of Sciences .

Credit:Universiteit van Pittsburgh

"Katalysatoren zijn zeer selectief; alleen bepaalde reactanten kunnen een bepaalde katalytische reactie veroorzaken. Door deze selectiviteit kunnen katalysatoren in een oplossing de identiteit van de reactanten onthullen. Als de juiste reactanten aan de vloeistof worden toegevoegd, genereert de resulterende reactie de spontane stroming van de vloeistof; de stroming kan op zijn beurt flexibele objecten buigen en vormgeven die in de oplossing zijn ondergedompeld", legt Balazs uit.

"Als flexibele palen worden vastgemaakt aan de basis van een met vloeistof gevulde kamer en worden gecoat met specifieke enzymen, zullen de toegevoegde reactanten de palen dwingen in verschillende richtingen te buigen en duidelijke visuele patronen te vormen.

"Het verbazingwekkende is dat elke reactant, of combinatie van reactanten, een afzonderlijk patroon produceert. In feite laten de chemicaliën een kenmerkende 'vingerafdruk' achter, waardoor we de chemische samenstelling van de oplossing kunnen identificeren."

In de simulatie construeerde Moradi een kamer van vier millimeter in het vierkant en één millimeter hoog, met 81 flexibele palen. Slechts een paar palen op bepaalde locaties waren bedekt met een van de drie soorten enzymen.

"Als we specifieke reacties onderzoeken, kunnen we de vormen onderscheiden die ze bijdragen aan het algehele patroon. Bijgevolg kunnen we de patronen beheersen en hun uiterlijk afstemmen." zei Moradi. "Bovendien kunnen we, als de reactanten één voor één worden toegevoegd, een chemische caleidoscoop vormen, waarbij het ene patroon soepel overgaat in het andere wanneer de vorige reactanten door de reactie worden verbruikt en een nieuwe reactant aan de oplossing wordt toegevoegd."

Credit:Universiteit van Pittsburgh

Shklyaev voegde eraan toe dat deze resultaten opmerkelijk zijn omdat de berichten vergelijkbaar zijn met elektronische knooppunten. "De paaltjes zijn als aan-uitschakelaars en bewegen in een specifieke richting die wordt gereguleerd door de stroom", zei hij, "en de patronen onthullen de chemische vingerafdrukken. De chemie gebeurt op nanoschaal en we observeren op millimeterschaal zichtbare patronen gevormd door de paal, die licht kan reflecteren en dus met het blote oog kan worden gedetecteerd."

Tegelijkertijd benadrukken de bevindingen een manier om de stroom in de kamer te sturen zonder voor elke toepassing nieuwe muren te bouwen, waardoor de bruikbaarheid van een bepaald vloeistofapparaat mogelijk wordt vergroot.

"Onze tests gebruikten drie verschillende enzymen waarmee we meerdere verschillende patronen konden genereren als reactie op slechts drie verschillende chemicaliën. Omdat elk van de 81 berichten potentieel bedekt zou kunnen zijn met een ander enzym, neemt het totale aantal mogelijke patronen exponentieel toe met het aantal Op conceptueel niveau zijn de patronen analoog aan de elektrochemische reacties die de hersenen maken om geuren te identificeren."

Balazs zei:"Aangezien elke reactant een specifieke vingerafdruk achterlaat, kunnen we een database met patronen vormen. We kunnen deze database gebruiken om een ​​gevaarlijke chemische stof of een watergedragen toxine te detecteren door het gegenereerde patroon te vergelijken met andere in de database om een ​​match te identificeren. Ons systeem legt de basis voor een eenvoudige, draagbare toolkit waarmee je de chemische stof in een kamer kunt toevoegen en het resulterende visuele patroon identificeert de stof. "

Meer informatie: Moslem Moradi et al, Integratie van chemie, vloeistofstroming en mechanica om de spontane vorming van driedimensionale (3D) patronen in verankerde microstructuren te stimuleren, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2319777121

Aangeboden door Universiteit van Pittsburgh




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wat zijn 3 functies van de navelstreng?
  2. Van stroper tot boswachter:de Siberische tijgers van China redden
  3. Komt mitose voor in Prokaryoten, Eukaryoten of Beide?
  4. Rechtbank vindt het goed om een ​​soort uil te doden om het effect op andere uilen te zien
  5. Onderzoek naar de lysosomale biologie:huidige benaderingen en methoden
  6. De nanoscopische structuur die onze genen opsluit
  7. Vijf soorten aseksuele reproductie
  8. Nieuw begrip van de innerlijke wereld van lysosomen
  9. Genen die mensen scheiden van fruitvliegen gevonden

Wetenschap