Forskerhold designer små kemiske næser
En levende organismes næse er i det væsentlige en biologisk molekyledetektor, der sender neurologiske signaler til hjernen, som derefter afkoder en bestemt duft. Menneskelige næser, med seks millioner lugtereceptorer, kan skelne mere end en billion dufte, mens nogle hundenæser har op til 300 millioner receptorer, som giver øget følsomhed i dele pr. trillion.
"Elektroniske næser" er elektroniske enheder, der kan "snuse" og identificere fordampede lugte og smag. Disse syntetiske næser, som typisk er forbundet med en betydelig mængde laboratorieudstyr, er ikke let bærbare, hvilket motiverer forskere til at udtænke nye, transportable sensorer, der kan identificere en bred vifte af kemikalier.
Forskere ved University of Pittsburgh Swanson School of Engineering har fremmet dette potentiale ved at designe et lille skalasystem, der danner tredimensionelle mønstre, som tjener som kemiske "fingeraftryk", der gør det muligt at identificere kemikalier i opløsninger. Principal investigator er Anna C. Balazs, anerkendt professor i kemiteknik, med hovedforfatter og postdoc muslimske Moradi, og postdoc Oleg E. Shklyaev. Værket vises i Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Katalysatorer er meget selektive; kun visse reaktanter kan udløse en bestemt katalytisk reaktion. På grund af denne selektivitet kan katalysatorer i en opløsning afsløre reaktanternes identitet. Hvis de rigtige reaktanter tilsættes til væsken, så genererer den resulterende reaktion den spontane strømmen af væsken kan til gengæld bøje og forme fleksible genstande nedsænket i opløsningen," forklarede Balazs.
"Hvis fleksible stolper er bundet til bunden af et væskefyldt kammer og belagt med specifikke enzymer, vil de tilføjede reaktanter tvinge stolperne til at bøje i forskellige retninger og danne tydelige visuelle mønstre.
"Det forbløffende er, at hver reaktant eller kombination af reaktanter producerer et separat mønster. Faktisk efterlader kemikalierne et karakteristisk 'fingeraftryk', som gør det muligt for os at identificere den kemiske sammensætning af opløsningen."
I simuleringen konstruerede Moradi et kammer på fire millimeter i kvadrat og en millimeter i højden med 81 fleksible stolper. Kun få stolper på bestemte steder var belagt med en af tre typer enzymer.
"Hvis vi undersøger specifikke reaktioner, kan vi skelne de former, de bidrager til det overordnede mønster. Derfor kan vi kontrollere mønstrene og justere deres udseende." sagde Moradi. "Hvis reaktanterne tilsættes én ad gangen, kan vi desuden danne et kemisk kalejdoskop, da ét mønster jævnt forvandles til et andet, når de tidligere reaktanter forbruges af reaktionen, og en ny reaktant tilsættes til opløsningen."
Shklyaev tilføjede, at disse resultater er bemærkelsesværdige, fordi indlæggene ligner elektroniske noder. "Stængerne er som tænd-sluk-kontakter og bevæger sig i en bestemt retning, der reguleres af flowet," sagde han, "og mønstrene afslører de kemiske fingeraftryk. Kemien sker på nanoskalaen, og vi observerer på millimeterskalaen synlige mønstre dannet af stolpen, som kan reflektere lys og dermed kunne detekteres med det blotte øje."
Samtidig fremhæver resultaterne et middel til at dirigere strømmen i kammeret uden at bygge nye vægge til hver anvendelse, hvilket potentielt udvider anvendeligheden af en given væskeanordning.
"Vores test brugte tre forskellige enzymer, der gør det muligt for os at generere flere forskellige mønstre som svar på kun tre forskellige kemikalier. Da hver af de 81 stolper potentielt kunne være belagt med et andet enzym, stiger det samlede antal mulige mønstre eksponentielt med antallet af indlæggene På et konceptuelt niveau er mønstrene en analog af de elektrokemiske reaktioner, som hjernen giver for at identificere lugte eller dufte."
Balazs sagde:"Da hver reaktant efterlader et specifikt fingeraftryk, kan vi danne en database med mønstre. Vi kan bruge denne database til at detektere et farligt kemisk eller vandbåret toksin ved at sammenligne det genererede mønster med andre i databasen for at identificere et match. Vores system lægger grunden til et simpelt, bærbart værktøjssæt, der giver dig mulighed for at tilføje kemikaliet til et kammer, og det resulterende visuelle mønster identificerer stoffet. Det er en smuk, men simpel kemisk næse."
Flere oplysninger: Moslem Moradi et al., Integration af kemi, væskestrømning og mekanik for at drive spontan dannelse af tredimensionelle (3D) mønstre i forankrede mikrostrukturer, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2319777121
Leveret af University of Pittsburgh
Varme artikler
-
Hvor længe holder hukommelsen? Til formhukommelseslegeringer, jo længere jo bedreKredit:CC0 Public Domain Kendt for mange som muskeltråd eller memory metal, formhukommelseslegeringer er materialer, der kan bøjes eller deformeres, og derefter vende tilbage til deres oprindelige -
Banebrydende rødt lys-aktiveret anti-tumor prodrug reducerer bivirkningerPhorbiplatins kontrollerbare aktiveringsegenskab og overlegne antitumoraktivitet bidrager væsentligt til udviklingen af fotoaktiverbare anticancer-prodrugs, især Pt(IV) prodrugs, der kan aktiveres v -
Forskere bruger lysfølsomme molekyler til at spore proteiner, der er kritiske for cellesignaleringForskere ved Rice University og UTHealth sporede konformationerne af proteiner, der står vagt ved transmembrane kanaler i nervecellernes vægge. I bunden af proteinerne på dette billede er fluorofore -
Vanedannende nødderivater kan hjælpe rygere med at bryde nikotinvanenForbindelser afledt af arecanødder kan hjælpe cigaretrygere med at holde op. Kredit:Roger Papke, Ph.d. Hele 600 millioner mennesker i Sydøstasien tygger arecanødder med betelblade, nogle gange til
- Forstyrrer klimaændringer maritime grænser?
- Fem ting at vide om Bayer og Monsanto
- Nyt biologisk stillads tilbyder et lovende grundlag for konstrueret væv
- International havsatellit overvåger, hvordan El Niño udvikler sig
- Hvad er et gen,
- Hvordan en forsvundet fod på Borneo hæver det, vi har vidst om menneskets historie