Schrijven in het tijdschrift NanoResearch, een team van de Universiteit van Massachusetts Amherst meldt deze week dat ze bio-elektronische ammoniakgassensoren hebben ontwikkeld die tot de meest gevoelige ooit behoren.

De sensor gebruikt elektrisch-ladingsgeleidende eiwit-nanodraden afgeleid van de bacterie Geobacter om biomaterialen voor elektrische apparaten te leveren. Meer dan 30 jaar geleden, senior auteur en microbioloog Derek Lovley ontdekte Geobacter in riviermodder. De microben groeien haarachtige eiwitfilamenten die werken als "draden" op nanoschaal om ladingen over te dragen voor hun voeding en om te communiceren met andere bacteriën.

Eerste auteur en doctoraalstudent biomedische technologie Alexander Smith, met zijn adviseur Jun Yao en Lovley, zeggen dat ze deze eerste sensor hebben ontworpen om ammoniak te meten, omdat dat gas belangrijk is voor de landbouw, het milieu en de biogeneeskunde. Bijvoorbeeld, in mensen, ammoniak in de adem kan wijzen op ziekte, terwijl in de pluimveehouderij, het gas moet nauwlettend worden gecontroleerd en gecontroleerd voor de gezondheid en het comfort van de vogels en om onevenwichtigheden in het voer en productieverliezen te voorkomen.

Yao zegt, "Met deze sensor kun je zeer nauwkeurige waarnemingen doen; het is veel beter dan eerdere elektronische sensoren." Smit voegt eraan toe, "Elke keer als ik een nieuw experiment doe, Ik ben aangenaam verrast. We hadden niet verwacht dat ze zo goed zouden werken als nu. Ik denk echt dat ze een echt positieve impact op de wereld kunnen hebben."

Smith zegt dat bestaande elektronische sensoren vaak een beperkte of lage gevoeligheid hebben, en ze zijn gevoelig voor interferentie van andere gassen. Naast superieure functie en lage kosten, hij voegt toe, "onze sensoren zijn biologisch afbreekbaar, dus ze produceren geen elektronisch afval, en ze worden duurzaam geproduceerd door bacteriën die hernieuwbare grondstoffen gebruiken zonder de noodzaak van giftige chemicaliën."

Smith voerde de experimenten de afgelopen 18 maanden uit als onderdeel van zijn Ph.D. werk. Uit Lovley's eerdere onderzoeken was bekend dat de geleidbaarheid van de eiwitnanodraden veranderde als reactie op de pH - het zuur- of baseniveau - van de oplossing rond de eiwitnanodraden. Dit bracht de onderzoekers ertoe om het idee te testen dat ze zeer goed zouden kunnen reageren op molecuulbinding voor biosensing. "Als je ze blootstelt aan een chemische stof, de eigenschappen veranderen en je kunt de respons meten, ’ merkt Smit op.

Toen hij de nanodraden blootstelde aan ammoniak, "de reactie was echt merkbaar en significant, "zegt Smith. "Vroeger, we ontdekten dat we de sensoren konden afstemmen op een manier die deze significante respons laat zien. Ze zijn erg gevoelig voor ammoniak en veel minder voor andere verbindingen, dus de sensoren kunnen heel specifiek zijn."

Lovley voegt eraan toe, dat de "zeer stabiele" nanodraden lang meegaan, de sensor werkt consistent en robuust na maandenlang gebruik, en zo goed werken "het is opmerkelijk."

Yao zegt, "Deze eiwit-nanodraden verbazen me altijd. Dit nieuwe gebruik bevindt zich op een heel ander gebied dan waar we eerder in hadden gewerkt." Eerder, het team heeft gemeld dat ze eiwit-nanodraden gebruiken om energie uit vocht te halen en ze toe te passen als memristors voor biologisch computergebruik.

Smit, die zichzelf "ondernemend, " won de eerste plaats in UMass Amherst's 2018 Innovation Challenge voor het startup-businessplan voor het bedrijf dat hij vormde met Yao en Lovley, e-Biologie. De onderzoekers hebben een octrooiaanvraag ingediend, fondsenwerving, bedrijfsontwikkeling en onderzoeks- en ontwikkelingsplannen.

Lovely zegt, "Dit werk is het eerste proof-of-concept voor de nanodraadsensor. Als we eenmaal terug in het lab zijn, we gaan sensoren ontwikkelen voor andere verbindingen. We werken eraan om ze af te stemmen op een reeks andere verbindingen."