Syntetiske dufthunde:Nanostruktureret sensor til detektering af meget lave koncentrationer af eksplosivstof

For at forhindre terrorangreb i lufthavne, det ville være nyttigt at opdage ekstremt lave koncentrationer af sprængstoffer nemt og pålideligt. På trods af udviklingen af ​​forskellige sensorteknologier, hunde er fortsat de mest effektive detektorer. I journalen Angewandte Chemie , et tysk og fransk team har nu beskrevet en type mikromekanisk sensor med en struktur, der stammer fra sommerfugles sanseorganer.

En tilgang, der anvendes til sensorer, er baseret på mikrocantilevers. Disse er små fleksible cantilevers som dem, der bruges til at scanne overflader med atomkraftmikroskoper. Når de bruges i "kemiske næser" er mikrokantiliverne belagt med et materiale, der specifikt binder til de analytter, der detekteres. Cantilevers kan vibrere som fjedre. Når analytmolekyler er bundet til en mikrocantilever, dens masse ændres sammen med dens vibrationsfrekvens. Denne ændring kan måles.

På grund af deres meget lave damptryk ved stuetemperatur, de højsensitive, pålidelig detektion af sprængstoffer er fortsat en stor udfordring. For at gøre mikrocantilevere mere følsomme over for det eksplosive trinitrotoluen (TNT), forskningsgrupper ledet af Denis Spitzer ved det fransk-tyske forskningsinstitut i Saint Louis og Valérie Keller ved Laboratoire des Matériaux, Surfaces et Procédés pour la Catalyze i Strasbourg har nu hentet inspiration fra nogle typer sommerfugles meget følsomme sanseorgan. Han-silkemøl bruger dette organ til at genkende feromonmolekyler, der udskilles af hunner, når de lander på dets brede antenner. Disse antenner er dækket af sensilla, som er porøse hår, der indeholder kemonsensing neuroner.

Forskerne udstyrede deres mikrocantilevers som sommerfugleantennerne. De belagte dem med et tæt tredimensionelt ordnet lag af titaniumdioxid nanorør orienteret lodret, som sommerfuglens sensilla. Dette har flere fordele:den specifikke overflade af mikrokantilerne øges betydeligt; titaniumdioxid binder sig godt til stoffer, der indeholder nitrogrupper, som er karakteristiske for TNT og andre sprængstoffer; også, rørene har en åben struktur, som forbedrer bevægelsen af ​​masse og sikrer en hurtig sensorrespons.

Rørene er ca. 1700 nm lange og har en ydre diameter på ca. 100 nm og en vægtykkelse på 20 nm. Hver cantilever rummer omkring 500, 000 af disse nanorør.

Til testformål, forskerne fordampede TNA ved at opvarme en lille krystal. Sensoren var i stand til at detektere koncentrationer på mindre end én del pr. billion (ppt) inden for 3 minutter. Forskerne arbejder nu på at bygge et selektivt detektorsystem til sprængstoffer eller andre gasser baseret på denne metode.