Nanorørbelægning hjælper med at krympe massespektrometre

Nanoteknologi fremmer værktøjer, der sammenlignes med Star Treks "tricorder", der udfører kemisk analyse på stedet til en række applikationer, herunder medicinske tests, detektion af sprængstoffer og fødevaresikkerhed.

Forskere fandt ud af, at når papir, der blev brugt til at indsamle en prøve, blev belagt med kulstofnanorør, den nødvendige spænding var 1, 000 gange reduceret, signalet blev skærpet, og udstyret var i stand til at fange langt mere sarte molekyler.

Et team af forskere fra Purdue University og Indian Institute of Technology Madras udførte undersøgelsen, som er beskrevet i et udpeget "meget vigtigt papir" af tidsskriftet Angewandte Chemie .

"Dette er et stort skridt i vores bestræbelser på at skabe miniature, håndholdte massespektrometre til felten, " sagde R. Graham Cooks, Purdues Henry B. Hass enestående professor i kemi. "Det dramatiske fald i den nødvendige effekt betyder en reduktion i batteristørrelse og -omkostninger for at udføre eksperimenterne. Hele systemet bliver lettere og billigere, hvilket bringer det så meget tættere på at være levedygtigt for let, udbredt brug."

Cooks og Thalappil Pradeep, en professor i kemi ved Indian Institute of Technology Madras, Chennai, ledet forskningen.

"At tage videnskaben til folket er det vigtigste, " sagde Pradeep. "Massespektrometri er et fantastisk værktøj, men det er endnu ikke på enhver læges bord eller i lommen på landbrugsinspektører og sikkerhedsvagter. Der er udviklet gode teknikker, men vi skal finpudse dem til værktøjer, der er overkommelige, kan fremstilles effektivt og let at bruge."

Den National Science Foundation-finansierede undersøgelse brugte en analyseteknik udviklet af Cooks og hans kolleger kaldet PaperSpray™ ionisering. Teknikken bygger på en prøve opnået ved at tørre en genstand eller placere en dråbe væske på papir vådt med et opløsningsmiddel for at fange rester fra objektets overflade. En lille trekant skæres derefter fra papiret og placeres på en speciel fastgørelse af massespektrometeret, hvor der påføres spænding. Spændingen skaber et elektrisk felt, der forvandler blandingen af ​​opløsningsmiddel og rester til fine dråber indeholdende ioniserede molekyler, der springer af og støvsuges ind i massespektrometeret til analyse. Massespektrometeret identificerer derefter prøvens ioniserede molekyler ved deres masse.

Teknikken afhænger af et stærkt elektrisk felt, og nanorørene fungerer som bittesmå antenner, der skaber et stærkt elektrisk felt ud fra en meget lille spænding. En volt over nogle få nanometer skaber et elektrisk felt svarende til 10 millioner volt over en centimeter, sagde Pradeep.

"Tricket var at isolere disse små, antenner i nanoskala og forhindrer dem i at bundte sig sammen, fordi individuelle nanorør skal rage ud af papiret, " sagde han. "Kulstof nanorørene fungerer godt og kan spredes i vand og påføres på passende underlag."

Indiens regerings nanomission støttede forskningen ved det indiske teknologiske institut Madras, og kandidatstuderende Rahul Narayanan og Depanjan Sarkar udførte eksperimenterne.

Ud over at reducere størrelsen af ​​det nødvendige batteri og energiomkostningerne til at køre testene, den nye teknik forenklede også analysen ved næsten at eliminere baggrundsstøj, sagde kokke.

"Under disse betingelser, analysen er næsten støjfri og en skarp, klart signal fra prøven leveres, " sagde han. "Vi ved ikke, hvorfor det er - hvorfor baggrundsmolekyler, der omgiver os i luften eller inde fra udstyret, ikke bliver ioniseret og indgår i analysen. Det er gådefuldt, men behagelig overraskelse."

Den reducerede spænding, der kræves, gør også metoden mere skånsom end standard PaperSpray™ ioniseringsteknikker.

"Det er en meget blød metode, " sagde Cooks. "Skrøbelige molekyler og komplekser er i stand til at holde sammen her, når de ellers ikke ville. Dette kan føre til andre potentielle applikationer."

Holdet planlægger at undersøge mekanismerne bag reduktionen af ​​baggrundsstøj og potentielle anvendelser af den skånsomme metode, men det mest lovende aspekt af den nye teknik er dens potentiale til at miniaturisere massespektrometrisystemet, sagde kokke.

Cooks er en pioner inden for massespektrometri og har i årevis arbejdet på at tage massespektrometre fra størrelsen af ​​en bil til størrelsen af ​​en skoæske.

Tidligt i sin karriere udviklede han omgivende ioniseringsteknikker, der gjorde det muligt at udføre test i luften eller direkte på en overflade i dets naturlige miljø, i modsætning til konventionelle massespektrometriteknikker, der krævede kemisk separation, manipulationer af prøver og indeslutning i et vakuumkammer til ionisering og analyse. Omgivende ionisering banede vejen for hurtigere, mere bærbare massespektrometrienheder, der kunne bruges uden for et laboratorium.

Cooks og hans samarbejdspartner Zheng Ouyang, Purdue lektor i biomedicinsk teknik og elektro- og computerteknik, har skabt flere generationer af miniature massespektrometre. De har for nylig udgivet artikler om den seneste generation, "Mini 12, " i journalen Analytisk kemi .

Cooks og hans team har finjusteret værktøjerne til brug i molekylær billeddannelse til cancerdiagnostik og kirurgi; terapeutisk lægemiddelovervågning; test for biomarkører i urin; og identifikation af fødevarebårne patogener, bakterie, pesticider og sprængstofrester.

Cooks er tilknyttet flere Purdue forskningscentre, herunder Bindley Bioscience Center, Purdue Center for Cancer Research og Center for Analytical Instrumentation Development.