Forskning nulstilling på elektronisk næse til overvågning af luftkvalitet, diagnosticering af sygdom

Forskning ved Oregon State University har skubbet videnskaben tættere på at udvikle en elektronisk næse til overvågning af luftkvaliteten, opdage sikkerhedstrusler og diagnosticere sygdomme ved at måle gasser i en patients ånde.

Nylig offentliggjort forskning ledet af Cory Simon, assisterende professor i kemiteknik ved OSU College of Engineering, i samarbejde med professor i kemiingeniør Chih-Hung Chang fokuseret på materialer kendt som metal-organiske rammer, eller MOF'er.

Forskningen tog sigte på en kritisk, men understuderet forhindring i at bruge MOF'er som gassensorer:Ud af de milliarder af mulige MOF'er, hvordan finder du de rigtige til at bygge den optimale elektroniske næse?

MOF'er har porer i nanostørrelse og adsorberer selektivt gasser, ligner en svamp. De er ideelle til brug i sensor-arrays på grund af deres tunerbarhed, gør det muligt for ingeniører at bruge et mangfoldigt sæt af materialer, der gør det muligt for en række MOF-baserede sensorer at levere detaljeret information.

Afhængigt af hvilke komponenter der udgør en gas, forskellige mængder af gassen vil adsorbere i hver MOF. Det betyder, at sammensætningen af ​​en gas kan udledes ved at måle den adsorberede gas i rækken af ​​MOF'er ved hjælp af mikroskalabalancer.

Udfordringen er, at alle MOF'er adsorberer alle gasser - ikke i samme omfang, men ikke desto mindre forhindrer fraværet af perfekt selektivitet en ingeniør i blot at sige, "lad os bare dedikere denne MOF til kuldioxid, den til svovldioxid, og en anden til nitrogendioxid."

"Kurtering af MOF'er for gassensor-arrays er ikke så simpelt, fordi hver MOF i arrayet vil adsorbere alle tre af disse gasser væsentligt, " sagde Simon.

Menneskelige næser navigerer i det samme problem ved at stole på omkring 400 forskellige typer lugtereceptorer. Meget ligesom MOF'erne, hver olfaktoriske receptor aktiveres af mange forskellige lugte, og hver lugt aktiverer mange forskellige receptorer; hjernen analyserer responsmønsteret, giver folk mulighed for at skelne en lang række forskellige lugte.

"I vores forskning, vi skabte en matematisk ramme, der tillader os, baseret på adsorptionsegenskaberne af MOF'er, for at beslutte, hvilken kombination af MOF'er, der er optimal for et gassensorarray, " sagde Simon. "Der vil uundgåeligt være nogle små fejl i målingerne af massen af ​​adsorberet gas, og disse fejl vil ødelægge forudsigelsen af ​​gassammensætningen baseret på sensorarrayets respons. Vores model vurderer, hvor godt en given kombination af MOF'er vil forhindre de små fejl i at ødelægge estimatet af gassammensætningen."

Selvom forskningen primært var matematisk modellering, forskerne brugte eksperimentelle adsorptionsdata i rigtige MOF'er som input, Simon sagde, tilføjer, at Chang er en eksperimentalist, "som vi arbejder med for at lave en virkelig elektronisk næse til at opdage luftforurenende stoffer."

"Vi søger i øjeblikket ekstern finansiering sammen for at bringe dette nye koncept til fysisk realisering, " sagde Simon. "På grund af dette papir, vi har nu en rationel metode til beregningsmæssigt at designe det sensoriske array, som omfatter simulering af gasadsorption i MOF'erne med molekylære modeller og simuleringer for at forudsige deres adsorptionsegenskaber, derefter bruge vores matematiske metode til at screene de forskellige kombinationer af MOF'er for den mest nøjagtige sensorarray."

Det betyder, at i stedet for en eksperimentel trial-and-error-tilgang til at beslutte, hvilke MOF'er, der skal bruges i et sensorarray, ingeniører kan bruge beregningskraft til at sammensætte den bedste samling af MOF'er til en elektronisk næse.

En anden spændende anvendelse af sådan en næse kunne være at diagnosticere sygdom. De flygtige organiske forbindelser, som mennesker udleder, som gennem vores åndedræt, er fyldt med biomarkører for flere sygdomme, og undersøgelser har vist, at hunde – som har dobbelt så mange forskellige lugtereceptorer som mennesker – kan opdage sygdomme med deres næse.

Skønt de er vidunderlige, imidlertid, hundes næser er ikke så praktiske til udbredt diagnostisk brug, som et omhyggeligt udformet og fremstillet sensorarray ville være.

Resultaterne af den beregningsmæssige MOF-forskning blev offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader .