Schnüffelnde Chemie
Neue tragbare chemische Spürnase kann eine breite Palette von Chemikalien identifizieren
Die Nase eines Lebewesens ist im Wesentlichen ein biologischer Moleküldetektor, der neurologische Signale an das Gehirn sendet, das dann einen bestimmten Duft entschlüsselt. Menschliche Nasen können mit sechs Millionen Geruchsrezeptoren mehr als eine Billion Düfte unterscheiden, während einige Hundenasen bis zu 300 Millionen Rezeptoren besitzen, die eine erhöhte Empfindlichkeit in Teilen pro Billion bieten. "Elektronische Nasen" sind elektronische Geräte, die verdampfte Gerüche und Geschmacksstoffe "erschnüffeln" und identifizieren können. Da diese synthetischen Nasen in der Regel an eine umfangreiche Laborausrüstung angeschlossen sind, lassen sie sich nicht ohne Weiteres transportieren, was die Forscher dazu veranlasste, neue, transportable Sensoren zu entwickeln, die eine breite Palette von Chemikalien erkennen können.
Forscher an der Swanson School of Engineering der Universität Pittsburgh haben dieses Potenzial durch die Entwicklung eines kleinen Systems erweitert, das dreidimensionale Muster bildet, die als chemische "Fingerabdrücke" dienen und die Identifizierung von Chemikalien in Lösungen ermöglichen. Hauptautorin ist Anna C. Balazs, Distinguished Professor of Chemical Engineering, zusammen mit dem Hauptautor und Postdoc Moslem Moradi und dem Postdoc Oleg E. Shklyaev. Die Arbeit wurde in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.
"Katalysatoren sind hochselektiv; nur bestimmte Reaktanten können eine bestimmte katalytische Reaktion auslösen. Aufgrund dieser Selektivität können Katalysatoren in einer Lösung die Identität der Reaktanten preisgeben. Werden der Flüssigkeit die richtigen Reaktanten zugesetzt, so erzeugt die daraus resultierende Reaktion eine spontane Flüssigkeitsströmung, die wiederum flexible Objekte, die in die Lösung eingetaucht sind, biegen und formen kann", erklärt Balazs. "Wenn biegsame Stäbe am Boden einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer befestigt und mit bestimmten Enzymen beschichtet werden, zwingen die hinzugefügten Reaktanten die Stäbe dazu, sich in verschiedene Richtungen zu biegen und unterschiedliche visuelle Muster zu bilden.
"Erstaunlich ist, dass jeder Reaktant bzw. jede Kombination von Reaktanten ein eigenes Muster erzeugt. In der Tat hinterlassen die Chemikalien einen unverwechselbaren "Fingerabdruck", der es uns ermöglicht, die chemische Zusammensetzung der Lösung zu identifizieren".
Für die Simulation konstruierte Moradi eine Kammer von vier Millimetern im Quadrat und einem Millimeter Höhe mit 81 flexiblen Stäben. Nur einige wenige Stäbe an bestimmten Stellen waren mit einer der drei Enzymarten beschichtet. "Wenn wir bestimmte Reaktionen untersuchen, können wir erkennen, welche Formen sie zum Gesamtmuster beitragen. Folglich können wir die Muster kontrollieren und ihr Aussehen abstimmen", sagte Moradi.
"Wenn wir die Reaktanten nacheinander hinzufügen, können wir ein chemisches Kaleidoskop erstellen, da ein Muster fließend in ein anderes übergeht, wenn die vorherigen Reaktanten durch die Reaktion verbraucht werden und ein neuer Reaktant der Lösung hinzugefügt wird.
Shklyaev fügte hinzu, dass diese Ergebnisse bemerkenswert sind, weil die Stäbe elektronischen Knotenpunkten ähneln. "Die Stäbe sind wie Ein-Aus-Schalter und bewegen sich in eine bestimmte Richtung, die durch den Fluss reguliert wird", sagte er, "und die Muster offenbaren die chemischen Fingerabdrücke. Die Chemie spielt sich auf der Nanoskala ab, und wir beobachten auf der Millimeterskala sichtbare Muster, die von den Stäben gebildet werden, die Licht reflektieren und somit mit bloßem Auge erkannt werden können." Gleichzeitig weisen die Ergebnisse auf eine Möglichkeit hin, die Strömung in der Kammer zu lenken, ohne für jede Anwendung neue Wände bauen zu müssen, wodurch sich der Nutzen eines bestimmten fluidischen Geräts potenziell erweitern lässt.
"Bei unseren Tests haben wir drei verschiedene Enzyme verwendet, die es uns ermöglichen, als Reaktion auf nur drei verschiedene Chemikalien mehrere verschiedene Muster zu erzeugen. Da jeder der 81 Stäbe potenziell mit einem anderen Enzym beschichtet werden kann, steigt die Gesamtzahl der möglichen Muster exponentiell mit der Anzahl der Stäbe. Auf einer konzeptionellen Ebene sind die Muster ein Analogon zu den elektrochemischen Reaktionen, die das Gehirn zur Identifizierung von Gerüchen oder Düften ausführt.
Balazs sagte: "Da jeder Reaktant einen spezifischen Fingerabdruck hinterlässt, können wir eine Datenbank mit Mustern erstellen. Wir können diese Datenbank nutzen, um eine gefährliche Chemikalie oder ein im Wasser befindliches Toxin zu erkennen, indem wir das erzeugte Muster mit anderen in der Datenbank vergleichen, um eine Übereinstimmung zu identifizieren.
"Unser System bildet die Grundlage für ein einfaches, tragbares Instrumentarium, mit dem man die Chemikalie in eine Kammer geben kann, und das daraus resultierende visuelle Muster identifiziert die Substanz. Es ist eine schöne und doch einfache chemische Nase".
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