Sensor på en chip:Ny teknologi rummer potentiale til overvågning af økosystemer, menneskets sundhed

University of Delaware forskere er ved at udvikle sensorer, som de håber vil tillade realtid, in situ detektion af vand- og luftforurenende stoffer på en billig og miljøvenlig måde.

Juejun Hu og Chaoying Ni fra UD's afdeling for materialevidenskab og teknik skaber små, meget følsomme enheder, der vil opdage organiske, uorganiske og biologiske molekylære arter i lave niveauer i miljøet. Holdet er finansieret af et frøbevilling fra National Science Foundation's Delaware Experimental Program to Stimulate Competitive Research (EPSCoR).

"Vi laver nanostrukturer til at detektere kemiske molekyler på en meget følsom måde, "sagde Hu, en adjunkt, der er ledende forsker på projektet.

Med yderligere forskning og udvikling, enhederne kunne integreres i bærbare, batteridrevne sensorpakker, erstatte mere traditionelle molekylære detektorer, som kræver omfangsrigt og dyrt udstyr.

Indsat i et netværk i marken, en række af de små sensorer kunne detektere forurening i luft, vand og jord i realtid og videresend disse oplysninger trådløst til en computer.

En stor hindring, der forhindrer små sensorer i at blive praktiske erstatninger for voluminøse maskiner, er, at den nye teknologi stadig er mindre følsom og specifik i sin detektion end de instrumenter, der er i brug i øjeblikket. Projektet har til formål at skabe sensorer, der overvinder disse forhindringer.

"Det er en ny type sensor, " sagde Ni, lektor. "Det er meget lille og vigtigere, det er meget følsomt og meget specifikt."

Forskerne bruger en fokuseret ionstråle (FIB) til at stikke huller ind i en tynd strimmel chalcogenidglas (ChG) på et par mikrometers tykkelse, eller omkring en tiendedel af et hårs bredde. Når lyset passerer gennem strimlen, molekyler i miljøet absorberer selektivt en eller nogle få bestemte farver af lyset. De unikke optiske absorptionssignaler kan derefter bruges til at identificere tilstedeværelsen og koncentrationen af ​​molekylerne af interesse. Forskerne planlægger at gruppere flere af de små, chip-størrelse enheder sammen for at skabe en sensor, der er i stand til at detektere flere typer molekyler.

"Til sidst, enheden vil være meget følsom sammenlignet med den nuværende teknologi. Vi forventer en forbedring på omkring to til fire størrelsesordener, " sagde Hu. "Den vil også være lille og efterlade et meget lille fodaftryk. Når først er integreret, den vil være på størrelse med en hockeypuck og kan placeres diskret i miljøet."

Siden forskerne begyndte projektet for cirka et år siden, de har med succes skabt flere chips, selvom de er stødt på nogle problemer undervejs.

"Det var svært at fremstille enheden, " sagde Ni. "Hullerne skal stanses med stor præcision. Det er derfor, vi har brug for den fokuserede ionstråle, som viste sig at være perfekt til dette projekt."

Selvom projektet stadig er i sin tidlige fase, med test først startet sidste efterår, Hu ser allerede fremad til de praktiske fordele, enhederne kan have for miljøet.

"Vi vil løbende være i stand til at overvåge miljøforurenende stoffer, så vi ved, om vandet i et vandløb bliver forurenet, eller om et kemisk anlæg lækker. Vi kan også bruge det til at opdage giftige lækager i industrianlæg, " han sagde.

Hu tilføjede, at når først teknologien er følsom nok, chip-skala sensorer kunne være nyttige på andre områder, herunder biomedicin.

"Vi kunne bruge apparaterne til at tjekke for visse sygdomme ved at analysere en patients åndedræt, " sagde han. "Sensoren ville være i stand til at detektere spormolekyler i luften, de udånder."

Ni var enig i, at enhederne kunne have en betydelig indflydelse. "De kunne være en type ting, der skifter spil, " han sagde.