Kemisk sensing-chip opsnuser kokain inden for få minutter

Hvad hvis du kunne teste for kokain, opioider og marihuana lige så hurtigt som en alkometer analyserer alkohol?

En ny, billig kemisk sensor-chip bringer os et skridt tættere på denne teknologi, som længe har stået på ønskelisten hos politifolk og andre, der ønsker at overvåge stofbrug og dæmme op for farlig kørsel.

Chippen kunne integreres i en håndholdt, bærbar enhed til påvisning af lægemidler i biologiske prøver såsom blod, åndedrag, urin eller spyt.

"I øjeblikket, der er stor efterspørgsel efter on-site stoftest, "siger Qiaoqiang Gan, Ph.d., lektor i elektroteknik ved universitetet ved Buffalo School of Engineering and Applied Sciences. "Den højtydende chip, vi designede, var i stand til at opdage kokain inden for få minutter i vores eksperimenter. Den er også billig:Den kan fremstilles ved hjælp af råmaterialer, der koster omkring 10 cents, og fremstillingsteknikkerne, vi brugte, er også billige. "

"I fremtiden, vi håber også at bruge denne teknologi til at opdage andre stoffer, inklusive marihuana, " tilføjer han. "Den voksende legalisering af marihuana rejser en masse samfundsproblemer, herunder behovet for et system til hurtigt at teste chauffører for stofbrug."

Gan udviklede den nye chip med et team, der omfattede de første forfattere Jun Gao, en forskningsmedarbejder i materialevidenskab ved Fudan University i Kina, og Nan Zhang, en ph.d.-kandidat ved UB, sammen med kolleger fra UB Institut for Elektroteknik; UB Research Institute on Addictions; og UB Department of Community Health and Health Behaviour i UB School of Public Health and Health Professions.

Studiet, finansieret af National Science Foundation, blev offentliggjort den 7. maj i tidsskriftet Små metoder .

Påvisning af det kemiske fingeraftryk af kokain og andre stoffer

Den nye chip er en konstrueret nanostruktur, der fanger lys ved kanterne af guld- og sølvnanopartikler. Når biologiske eller kemiske molekyler lander på chippens overflade, noget af det indfangede lys interagerer med molekylerne og "spreds" ind i lyset af nye energier. Denne effekt opstår i genkendelige mønstre, der fungerer som fingeraftryk, afslører information om, hvilke forbindelser der er til stede.

Fordi alle kemikalier - kokain, opioider, og aktive ingredienser i marihuana-har deres unikke lysspredende signaturer, forskere kan bruge teknologien til hurtigt at identificere en lang række kemikalier.

Denne sansemetode kaldes overfladeforbedret Raman-spektroskopi (SERS), og det er ikke nyt. Men den chip, som Gans team udviklede, er bemærkelsesværdig for dens høje ydeevne og lave omkostninger.

"SERS har et stort løfte om hurtig påvisning af stoffer og andre kemikalier, men de materialer, der kræves for at udføre sansningen, er normalt ret dyre, " siger Zhang. "De chips, der bruges til SERS, er typisk fremstillet ved hjælp af dyre metoder, såsom litografi, som skaber specifikke mønstre på et metalsubstrat. Vi skabte vores chip ved at deponere forskellige tynde lag af materialer på et glassubstrat, som er omkostningseffektiv og velegnet til produktion i industriel skala."

En optisk lagkage

Den nye chip - en struktur kendt som en metasurface - ligner en lagkage, med flere vandrette lag materiale oven på hinanden.

Specifikt, teknologien består af en plade af dielektrisk materiale (f.eks. siliciumdioxid, aluminiumoxid, osv.) klemt mellem et sølvspejl (chippens base) og et hybridt nanomateriale lavet af guld- og sølvnanopartikler (chippens aktive overflade).

Denne arkitektur er ideel til SERS:Molekyler af kokain eller andre stoffer falder ind i de små mellemrum mellem nanopartiklerne på chippens overflade. Derefter, når strukturen udsættes for lys til afprøvning, sølvspejlet og det dielektriske lag fungerer som et "optisk hulrum, " manipulere lys på en måde, der øger antallet af fotoner på overfladen af ​​chippen. I sidste ende, dette intensiverer spredningssignaturen af ​​forbindelser, der registreres, hvilket forbedrer detektionen.

Teknologien har en lang holdbarhed, med forskere, der fandt ud af, at det fungerede godt efter et års opbevaring. Chippens levetid skyldes til dels dens overfladedesign:guld-nanopartiklerne, som deponeres sidst, hjælpe med at beskytte sølv nanopartiklerne fra luften, som forhindrer oxidation, nedbrydning og tilsmudsning.

"Med vores struktur, vi kan realisere både høj ydeevne og stabil ydeevne over tid, " siger Gan.

Det næste trin i forskningen er at installere chippen på en enkel, bærbar testenhed. Denne teknologi ville først løbe blod, åndedrag, urin eller spyt gennem en rensningsproces, der udvinder specifikke molekyler, såsom kokain eller andre stoffer. Derefter, alle kemikalier, der fanges gennem denne procedure, vil blive overført til chippen til påvisning og identifikation.