Nanotechnologie ontwikkelt hulpmiddelen die vergelijkbaar zijn met Star Trek's "tricorder" die chemische analyses ter plaatse uitvoeren voor een reeks toepassingen, waaronder medische tests, explosievendetectie en voedselveiligheid.

Onderzoekers ontdekten dat wanneer papier dat werd gebruikt om een ​​monster te verzamelen, bedekt was met koolstofnanobuisjes, de vereiste spanning was 1, 000 keer verminderd, het signaal werd verscherpt en de apparatuur was in staat om veel delicatere moleculen te vangen.

Een team van onderzoekers van de Purdue University en het Indian Institute of Technology Madras voerde de studie uit, die wordt beschreven in een door het tijdschrift aangewezen "zeer belangrijk artikel" Angewandte Chemie .

"Dit is een grote stap in onze inspanningen om miniatuur, handheld massaspectrometers voor het veld, " zei R. Graham Cooks, Purdue's Henry B. Hass Distinguished Professor of Chemistry. "De dramatische afname van het benodigde vermogen betekent een vermindering van de batterij en de kosten om de experimenten uit te voeren. Het hele systeem wordt lichter en goedkoper, waardoor het veel dichter bij levensvatbaar is voor gemakkelijk, wijdverbreid gebruik."

Koks en Thalapil Pradeep, een professor in de chemie aan het Indian Institute of Technology Madras, Chennai, leidde het onderzoek.

"Wetenschap naar de mensen brengen is het belangrijkste, "Zei Pradeep. "Massaspectrometrie is een fantastisch hulpmiddel, maar het ligt nog niet op de tafel van elke arts of in de zak van landbouwinspecteurs en bewakers. Er zijn geweldige technieken ontwikkeld, maar we moeten ze aanscherpen tot tools die betaalbaar zijn, efficiënt kan worden vervaardigd en gemakkelijk kan worden gebruikt."

De door de National Science Foundation gefinancierde studie maakte gebruik van een analysetechniek die is ontwikkeld door Cooks en zijn collega's, PaperSpray™-ionisatie genaamd. De techniek is gebaseerd op een monster dat wordt verkregen door een object af te vegen of een druppel vloeistof op papier te plaatsen dat nat is met een oplosmiddel om resten van het oppervlak van het object op te vangen. Vervolgens wordt een driehoekje uit het papier gesneden en op een speciale bevestiging van de massaspectrometer geplaatst waar spanning wordt toegepast. De spanning creëert een elektrisch veld dat het mengsel van oplosmiddel en residuen verandert in fijne druppeltjes met geïoniseerde moleculen die eruit springen en voor analyse in de massaspectrometer worden opgezogen. De massaspectrometer identificeert vervolgens de geïoniseerde moleculen van het monster aan de hand van hun massa.

De techniek is afhankelijk van een sterk elektrisch veld en de nanobuisjes werken als kleine antennes die een sterk elektrisch veld creëren vanaf een zeer kleine spanning. Eén volt over een paar nanometer creëert een elektrisch veld gelijk aan 10 miljoen volt over een centimeter, zei Pradeep.

"De truc was om deze kleine, antennes op nanoschaal en voorkom dat ze zich samenbundelen omdat individuele nanobuisjes uit het papier moeten steken, " zei hij. "De koolstofnanobuisjes werken goed en kunnen in water worden gedispergeerd en op geschikte substraten worden aangebracht."

De Nano Mission van de regering van India ondersteunde het onderzoek aan het Indian Institute of Technology Madras en de afgestudeerde studenten Rahul Narayanan en Depanjan Sarkar voerden de experimenten uit.

Naast het verminderen van de grootte van de batterij die nodig is en de energiekosten om de tests uit te voeren, de nieuwe techniek vereenvoudigde ook de analyse door achtergrondruis bijna te elimineren, aldus Koks.

"Onder deze voorwaarden, de analyse is bijna ruisvrij en scherp, duidelijk signaal van het monster wordt geleverd, " zei hij. "We weten niet waarom dit is - waarom achtergrondmoleculen die ons in de lucht of vanuit de apparatuur omringen, niet worden geïoniseerd en in de analyse worden betrokken. Het is een raadsel, maar aangename verrassing."

De vereiste lagere spanning maakt de methode ook zachter dan de standaard PaperSpray™-ionisatietechnieken.

"Het is een heel zachte methode, Cooks zei. "Breekbare moleculen en complexen kunnen hier bij elkaar blijven als ze dat anders niet zouden doen. Dit kan leiden tot andere potentiële toepassingen."

Het team is van plan om de mechanismen achter de vermindering van achtergrondgeluid en mogelijke toepassingen van de zachte methode te onderzoeken, maar het meest veelbelovende aspect van de nieuwe techniek is het potentieel om het massaspectrometriesysteem te miniaturiseren, aldus Koks.

Cooks is een pionier op het gebied van massaspectrometrie en heeft jarenlang gewerkt om massaspectrometers van de grootte van een auto naar die van een schoenendoos te brengen.

In het begin van zijn carrière ontwikkelde hij ambient ionisatietechnieken waarmee testen in de lucht of direct op een oppervlak in zijn natuurlijke omgeving konden worden gedaan. in tegenstelling tot conventionele massaspectrometrietechnieken die chemische scheidingen vereisten, manipulaties van monsters en insluiting in een vacuümkamer voor ionisatie en analyse. Omgevingsionisatie maakte de weg vrij voor snellere, meer draagbare massaspectrometrie-apparaten die buiten een laboratorium kunnen worden gebruikt.

Cooks en zijn medewerker Zheng Ouyang, Purdue universitair hoofddocent biomedische technologie en elektrische en computertechnologie, hebben verschillende generaties miniatuur massaspectrometers gemaakt. Ze publiceerden onlangs artikelen over de nieuwste generatie, de "Mini12, " in het journaal Analytische scheikunde .

Cooks en zijn team hebben de tools verfijnd voor gebruik in moleculaire beeldvorming voor kankerdiagnostiek en chirurgie; monitoring van therapeutische geneesmiddelen; testen op biomarkers in urine; en de identificatie van door voedsel overgedragen pathogenen, bacteriën, residuen van pesticiden en explosieven.

Cooks is verbonden aan verschillende onderzoekscentra van Purdue, inclusief Bindley Bioscience Center, het Purdue Center for Cancer Research en het Center for Analytical Instrumentation Development.