Ny kulstof nanorørsensor kan registrere små spor af sprængstoffer

(PhysOrg.com) - MIT-forskere har skabt en ny detektor, der er så følsom, at den kan opfange et enkelt molekyle af et eksplosiv som TNT.

For at skabe sensorerne, kemiske ingeniører ledet af Michael Strano coatede kulstof nanorør - hule, et-atom-tykke cylindre lavet af rent kulstof - med proteinfragmenter, der normalt findes i bigift. Det er første gang, at disse proteiner har vist sig at reagere på eksplosiver, specifikt en klasse kendt som nitro-aromatiske forbindelser, der inkluderer TNT.

Hvis udviklet til kommercielt udstyr, sådanne sensorer ville være langt mere følsomme end eksisterende sprængstofdetektorer - almindeligvis brugt i lufthavne, for eksempel - som bruger spektrometri til at analysere ladede partikler, når de bevæger sig gennem luften.

"Ionmobilitetsspektrometre er udbredt, fordi de er billige og meget pålidelige. Men, denne næste generation af nanosensorer kan forbedre dette ved at have den ultimative detektionsgrænse, [detektering] enkelte molekyler af sprængstof ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk, " siger Strano, Charles (1951) og Hilda Roddey Karriereudviklingslektor i kemiteknik.

En tidligere kandidatstuderende i Stranos laboratorium, Daniel Heller (nu Damon Runyon Fellow ved MIT's David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research), er hovedforfatter på et papir, der beskriver teknologien i Proceedings of the National Academy of Sciences . Avisen udkommer online i denne uge.

Strano har søgt patent på teknologien, som gør brug af proteinfragmenter kaldet bombolitiner. "Forskere har studeret disse peptider, men så vidt vi ved, de har aldrig vist sig at have en affinitet til og genkende eksplosive molekyler på nogen måde, " han siger.

I de seneste år, Stranos laboratorium har udviklet kulstof-nanorør-sensorer til en række forskellige molekyler, herunder nitrogenoxid, brintoverilte og giftige stoffer som nervegassen sarin. Sådanne sensorer drager fordel af kulstofnanorørs naturlige fluorescens, ved at koble dem til et molekyle, der binder sig til et specifikt mål. Når målet er bundet, rørenes fluorescens lysner eller dæmpes.

Den nye sprængstofsensor fungerer på en lidt anden måde. Når målet binder sig til bigiftproteinerne, der dækker nanorørene, det skifter det fluorescerende lyss bølgelængde, i stedet for at ændre dens intensitet. Forskerne byggede en ny type mikroskop til at læse signalet, som ikke kan ses med det blotte øje. Denne type sensor, den første af sin slags, er lettere at arbejde med, fordi den ikke påvirkes af omgivende lys.

"For en fluorescerende sensor, at bruge intensiteten af ​​det fluorescerende lys til at læse signalet er mere fejlbehæftet og mere støjende end at måle en bølgelængde, " siger Strano.

Hver nanorør-peptidkombination reagerer forskelligt på forskellige nitro-aromatiske forbindelser. Ved at bruge flere forskellige nanorør belagt med forskellige bombolitiner, forskerne kan identificere et unikt "fingeraftryk" for hvert sprængstof, de måtte ønske at opdage. Nanorørene kan også mærke nedbrydningsprodukterne fra sådanne sprængstoffer.

"Forbindelser som TNT nedbrydes i miljøet, skabe andre molekyletyper, og disse derivater kunne også identificeres med denne type sensor, " siger Strano. "Fordi molekyler i miljøet konstant ændrer sig til andre kemikalier, vi har brug for sensorplatforme, der kan detektere hele netværket og klasserne af kemikalier, i stedet for kun én type."

Forskerne viste også, at nanorørene kan detektere to pesticider, der også er nitro-aromatiske forbindelser, hvilket gør dem potentielt nyttige som miljøsensorer. Forskningen blev finansieret af Institute for Soldier Nanotechnologies ved MIT.

Philip Collins, en professor i fysik ved University of California i Irvine, siger, at den nye tilgang er en ny forlængelse af Stranos tidligere arbejde med kulstof-nanorør-sensorer. "Det er rart, hvad de har gjort - kombineret et par forskellige ting, der ikke er følsomme over for sprængstoffer, og vist, at kombinationen er følsom, " siger Collins, som ikke var involveret i denne undersøgelse.

Teknologien har allerede tiltrukket kommerciel og militær interesse, siger Strano. For at sensoren bliver praktisk til udbredt brug, den skulle kobles sammen med en kommercielt tilgængelig koncentrator, der ville bringe eventuelle molekyler, der flyder i luften, i kontakt med kulstofnanorørene.

"Det betyder ikke, at vi er klar til at sætte disse på en metro og opdage sprængstoffer med det samme. Men det betyder, at nu er sensoren ikke længere flaskehalsen, " siger Strano. "Hvis der er et molekyle i en prøve, og hvis du kan få det til sensoren, du kan nu opdage og kvantificere det."