(PhysOrg.com) -- MIT-onderzoekers hebben een nieuwe detector gemaakt die zo gevoelig is dat hij een enkel molecuul van een explosief zoals TNT kan oppikken.

Om de sensoren te maken, chemische ingenieurs onder leiding van Michael Strano gecoate koolstofnanobuizen - hol, cilinders van één atoom dik gemaakt van pure koolstof - met eiwitfragmenten die normaal in bijengif worden aangetroffen. Dit is de eerste keer dat is aangetoond dat deze eiwitten reageren op explosieven, specifiek een klasse die bekend staat als nitro-aromatische verbindingen die TNT omvat.

Indien ontwikkeld tot commerciële apparaten, dergelijke sensoren zouden veel gevoeliger zijn dan bestaande explosievendetectoren - die vaak worden gebruikt op luchthavens, bijvoorbeeld - die spectrometrie gebruiken om geladen deeltjes te analyseren terwijl ze door de lucht bewegen.

"Ionenmobiliteitsspectrometers worden op grote schaal ingezet omdat ze goedkoop en zeer betrouwbaar zijn. deze volgende generatie nanosensoren kan dit verbeteren door de ultieme detectielimiet te hebben, [detectie] van enkele moleculen explosieven bij kamertemperatuur en atmosferische druk, " zegt Strano, de Charles (1951) en Hilda Roddey Career Development Associate Professor of Chemical Engineering.

Een voormalig afgestudeerde student in Strano's lab, Daniel Heller (nu een Damon Runyon Fellow bij het David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research van het MIT), is hoofdauteur van een paper waarin de technologie in de Proceedings van de National Academy of Sciences . De krant verschijnt deze week online.

Strano heeft patent aangevraagd op de technologie, die gebruik maakt van eiwitfragmenten die bombolitins worden genoemd. "Wetenschappers hebben deze peptiden bestudeerd, maar voor zover wij weten, nooit is aangetoond dat ze affiniteit hebben met explosieve moleculen en deze op enigerlei wijze herkennen, " hij zegt.

In recente jaren, Het laboratorium van Strano heeft koolstof-nanobuissensoren ontwikkeld voor een verscheidenheid aan moleculen, inclusief stikstofmonoxide, waterstofperoxide en giftige stoffen zoals het zenuwgas sarin. Dergelijke sensoren maken gebruik van de natuurlijke fluorescentie van koolstofnanobuisjes, door ze te koppelen aan een molecuul dat bindt aan een specifiek doelwit. Wanneer het doel is gebonden, de fluorescentie van de buizen wordt helderder of zwakker.

De nieuwe explosievensensor werkt op een iets andere manier. Wanneer het doelwit zich bindt aan de bijengif-eiwitten die de nanobuisjes bekleden, het verschuift de golflengte van het fluorescerende licht, in plaats van de intensiteit ervan te veranderen. De onderzoekers bouwden een nieuw type microscoop om het signaal te lezen, die met het blote oog niet te zien zijn. Dit type sensor, de eerste in zijn soort, is gemakkelijker om mee te werken omdat het niet wordt beïnvloed door omgevingslicht.

"Voor een fluorescerende sensor, het gebruik van de intensiteit van het fluorescerende licht om het signaal te lezen is foutgevoeliger en luidruchtiger dan het meten van een golflengte, ' zegt Strano.

Elke combinatie van nanobuisjes en peptiden reageert anders op verschillende nitro-aromatische verbindingen. Door verschillende nanobuisjes te gebruiken die gecoat zijn met verschillende bombolitinen, de onderzoekers kunnen een unieke "vingerafdruk" identificeren voor elk explosief dat ze mogelijk willen detecteren. De nanobuisjes kunnen ook de afbraakproducten van dergelijke explosieven waarnemen.

"Verbindingen zoals TNT ontleden in het milieu, het creëren van andere soorten moleculen, en die afgeleiden kunnen ook worden geïdentificeerd met dit type sensor, Strano zegt. "Omdat moleculen in de omgeving voortdurend veranderen in andere chemicaliën, we hebben sensorplatforms nodig die het hele netwerk en klassen chemicaliën kunnen detecteren, in plaats van slechts één type."

De onderzoekers toonden ook aan dat de nanobuisjes twee pesticiden kunnen detecteren die ook nitro-aromatische verbindingen zijn, waardoor ze potentieel bruikbaar zijn als omgevingssensoren. Het onderzoek werd gefinancierd door het Institute for Soldier Nanotechnologies aan het MIT.

Philip Collins, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Californië in Irvine, zegt dat de nieuwe aanpak een nieuwe uitbreiding is van Strano's eerdere werk aan koolstof-nanobuissensoren. "Het is leuk wat ze hebben gedaan - een aantal verschillende dingen gecombineerd die niet gevoelig zijn voor explosieven, en aangetoond dat de combinatie gevoelig is, " zegt Collins, die niet bij dit onderzoek betrokken was.

De technologie heeft al commerciële en militaire belangstelling getrokken, zegt Strano. Om de sensor praktisch te maken voor wijdverbreid gebruik, het zou moeten worden gekoppeld aan een in de handel verkrijgbare concentrator die alle in de lucht zwevende moleculen in contact zou brengen met de koolstofnanobuisjes.

"Het betekent niet dat we klaar zijn om deze in een metro te plaatsen en explosieven onmiddellijk te detecteren. Maar het betekent wel dat nu de sensor zelf niet langer het knelpunt is, " zegt Strano. "Als er één molecuul in een monster zit, en als je het bij de sensor kunt krijgen, je kunt het nu detecteren en kwantificeren."