Forskere udvikler en hurtig og præcis metode til at opdage kemiske krigsførende midler

Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har udviklet en sensor i frimærkestørrelse, der kan registrere spormængder af visse kemiske krigsførelsesmidler, såsom sarin, inden for få minutter. Forskningen er publiceret i ACS Omega .

Sarin er en menneskeskabt nervegift, der kan spredes som en gas eller væske. Ifølge Center for Sygdomsbekæmpelse, udsættelse for store doser vil overstimulere kirtler og muskler, og kan føre til bevidsthedstab eller respirationssvigt. Selv små doser kan forårsage en lang liste af bekymrende og farlige symptomer.

"Eksponering af nervegift på lavt niveau fører til tvetydige tegn og symptomer, som ikke let kan skelnes fra andre tilstande, som kan resultere i forsinkelse i behandlingen og permanent skade, " sagde Paul Braun, professor i materialevidenskab og teknik, og direktør for Illinois Materials Research Laboratory. "Hvis spormængder kan opdages hurtigt, du kan forhindre permanent skade på menneskers sundhed."

"Der er sofistikerede sensorer tilgængelige, men de er store og dyre, og derfor kan nogle individer blive udsat for sarin uden at vide det, og det er for sent, " sagde han. "Nuværende miniaturesensorer viste kun tilstedeværelsen af ​​et toksin, ikke mængden af ​​eksponering." Eksisterende små sensorer er muligvis heller ikke tilstrækkeligt følsomme til at give tilstrækkelig beskyttelse.

Teknologien etableret i dette nye papir bygger på tidligere arbejde fra Braun-gruppen, som havde udviklet "kemiske sorte huller" på en lille hydrogeloverflade, der trak molekyler mod en punktsensor via en kemisk potentialgradient.

Brauns gruppe vidste, at teknologien havde potentiale, men havde brug for yderligere udvikling.

"Problemet var, at molekylerne bevægede sig for langsomt, " sagde Braun. "Det ville tage en time til en dag at flytte molekyler en centimeter, og vi havde ikke en god måde at udføre kvantitativ detektion på."

Imidlertid, den kemiske sorte hul-teknik viste, at videnskaben bag en kemisk gradient ville fungere, og næste skridt var at finde ud af en "detektionsteknik, der kunne gøre en reel indflydelse."

Velvidende at de havde brug for noget mindre end langsomt bevægende molekyler, forskerne udsatte en sikker version af et sarin-lignende molekyle for enzymet DFPase, får molekylet til at gennemgå hydrolyse, og opdeles i flere dele. En af disse dele var en negativt ladet fluoridion.

"Fluoridionen er let at detektere elektrokemisk, " sagde Mohammad Amdad Ali, en postdoktor i Brauns gruppe, og første forfatter på papiret. "Og, fordi den er så lille, det bevæger sig meget hurtigere end et molekyle. Hvis vi har en overflade med positivt ladet gradient, der fokuserer på et punkt i midten af ​​sensoren, som virkelig kan lide (tiltrækker fluoridionen), i stedet for at tage timer, det tager kun minutter for alle fluoridioner at ende på et tidspunkt."

"Vi var i stand til at skabe en gelfilm, der ikke kun brød molekylet ned, men trak de negativt ladede fluoridioner ind i en indlejret fluoridionspecifik sensor i midtpunktet, og læs hvor meget fluor vi havde. Når vi ved, hvor meget fluor vi har, vi ved, hvor meget sarin sensoren blev udsat for, " sagde Braun.

"Den fluorid-ion-specifikke elektrokemiske sensor har en lav detektionstærskel, og dermed kan detektere et meget lavt niveau af fluoridioner, " sagde Ali. "Med den nuværende tilstand af vores prototypesensor, vi kunne detektere aerosolaflejret sarin-lignende molekyle fra en dampkoncentration så lav som 0,01 mg/m3 inden for 10 minutter, " han tilføjede.

Næste trin er at teste sensorerne i et miljø, der er sat op til at håndtere selve nervegiften.

"Det ultimative mål er at fremstille noget lille nok, som et frimærke, der kan bæres på en uniform for at detektere gas eller kan fjernes for at teste en overflade, der inden for få minutter vil fortælle, om midlet er til stede, og hvor meget af midlet er der, " sagde Braun.

"Det vil ikke fortælle dig om alle toksiner, men det vil meget hurtigt fortælle dig om et begrænset sæt af forbindelser, " sagde han. "Hvis du finder ud af, at sarin er til stede, du har en meget bedre chance for at få den rigtige modgift."