De aanhoudende COVID-19-pandemie heeft aangetoond dat de wereld technologie nodig heeft die snel en nauwkeurig onzichtbare gevaren kan identificeren, waaronder schadelijke stoffen of milieuverontreinigende stoffen in de lucht. Colorimetrische sensoren - apparaten die intuïtief informatie over hun omgeving onthullen door middel van kleurveranderingen - zijn in dit opzicht een aantrekkelijke optie. Maar, om meer mensen van deze sensoren te laten profiteren, ze moeten gemakkelijk op grote schaal te produceren zijn. Dit is een grote beperking met de momenteel beschikbare colorimetrische sensoren, die complexe structuren vereisen met ingewikkelde fabricageprocedures. Andere problemen met bestaande apparaten zijn trage responstijden en onverzadigde kleuren.

Nu in een nieuwe studie gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap , wetenschappers van het Gwangju Instituut voor Wetenschap en Technologie, Korea, hebben geprobeerd deze beperkingen aan te pakken door een nieuw type colorimetrische sensor te ontwikkelen die bestaat uit een dunne laag virussen die M13-bacteriofagen worden genoemd. Ze gebruikten dit type virus omdat het zijn structuur - en dus zijn optische eigenschappen - kan veranderen als reactie op veranderingen in de omgeving, zoals de aanwezigheid van schadelijke stoffen. Prof Young Min Song, die de studie leidde, verklaart, "In onze studie introduceerden we de M13-bacteriofaag, wat een filamenteus virus is ter grootte van een nanometer, als detectielaag vanwege zijn volumetrisch expanderende eigenschappen."

De wetenschappers hebben de M13-bacteriofagen genetisch gemanipuleerd door ze te combineren met een "zeer verliesgevende ultradunne resonantiepromotorlaag" (HLRP) als substraat. Vervolgens, ze maximaliseerden de resonantie van de coatinglaag van de virussen door het substraat te optimaliseren zodat de bacteriofaag extreem gevoelig werd voor specifieke stoffen in de lucht. Dit maakte het voor de 'virussen' mogelijk om chemicaliën te detecteren in zeer lage concentraties - zo laag als tientallen delen per miljard. Prof Song legt de techniek uit, "Specifiek, door optimalisatie van de afzetting van de viruslaag, de viruslaag was bedekt met een ultradunne afmeting, wat het detectiepercentage verhoogde. De HLRP met resonantieverbetering werd toegepast om een ​​duidelijke kleur te verkrijgen, zelfs bij een dikteverandering op nanometerschaal in de M13-bacteriofaagviruslaag. Bijgevolg, de kleurverandering werd gemaximaliseerd door geoptimaliseerde resonantieomstandigheden."

De wetenschappers testten de nieuwe sensor met omgevingsvariabelen, zoals veranderingen in vochtigheid, en met verbindingen zoals vluchtige organische chemicaliën en hormoonontregelende chemicaliën. In beide gevallen, veranderingen in deze stimuli kunnen met succes worden waargenomen door duidelijke kleurveranderingen in de sensor, waarmee de praktische toepasbaarheid wordt aangetoond.

Dit nieuwe ontwerp voor een zeer effectieve en in massa produceerbare colorimetrische sensor is veelbelovend voor een verscheidenheid aan real-life toepassingen, zoals het detecteren van schadelijke industriële chemicaliën of het beoordelen van de luchtkwaliteit. Om het helemaal af te maken, deze sensoren kunnen onschatbare hulpmiddelen worden in klinische omgevingen, zoals Prof Song opmerkt, "In de toekomst, vooruitgang in genetische manipulatie zal de gevoeligheid van de sensoren vergroten en hun toepasbaarheid uitbreiden naar de medische industrie, waar ze kunnen worden gebruikt als diagnostische kits voor het opsporen van specifieke virussen en pathogenen."

Met verder onderzoek, deze technologie zal hopelijk werken als een krachtig middel om de ware kleuren van onzichtbare luchtdreigingen te laten zien.