Ny optofluidisk teknologi udnytter kiselalgernes kraft for at forbedre sensorens ydeevne

Forskere ved Oregon State University har kombineret et af naturens små mirakler, kiselalgen, med en version af inkjet-print og optisk sensing for at skabe en exceptionel sensing-enhed, der kan være op til 10 millioner gange mere følsom end nogle andre almindeligt anvendte tilgange.

Et patent er blevet godkendt på den nye "optofluidic" teknologi, og resultaterne offentliggjort i tidsskriftet Nanoskala .

Når det er implementeret i arbejdende enheder, denne tilgang kan forbedre biomedicinsk sansning af cancerbiomarkører; bruges til ekstraordinært præcist retsmedicinsk arbejde; redde livet for militært personel i kampsituationer; opdage ulovlige stoffer; eller hjælpe med at fortælle, om økologisk mad virkelig er fri for pesticider eller ej.

Den enorme følsomhed og lave omkostninger ved teknologien kan have uendelige anvendelser, forskere siger, lige fra sundhedsovervågning til miljøbeskyttelse, biologiske forsøg og andre anvendelser.

"Nogle eksisterende sensorer kan detektere forbindelser i niveauer på en del pr. milliard, hvilket lyder ret godt, men til mange formål er det ikke godt nok, " sagde Alan Wang, en OSU assisterende professor i elektroteknik i OSU College of Engineering, og tilsvarende forfatter på undersøgelsen.

"Med denne tilgang, vi kan detektere nogle typer forbindelser med mindre end én del pr. billion, omkring niveauet af et enkelt molekyle i en lille prøve. Det er virkelig svært. Bortset fra dens følsomhed, teknologien kan også arbejde med ultrasmå prøver, er hurtig, og burde være meget billig at bruge."

Dette system kombinerer avanceret optik med et fluidsystem til at identificere forbindelser. Med de fleste konventionelle systemer af denne type, væsker skal flyde over en overflade, og dette begrænser transporten af ​​specifikke molekyler, du måske ønsker at identificere, sagde Wang.

Kiselalger i denne nye teknologi, imidlertid, fungere som naturlige "fotoniske krystaller". De udnytter konvektionskræfterne mod diffusion for at hjælpe med at accelerere og koncentrere molekyler i et rum, hvor fotoner fra optiske sensorer kan blive fanget, interagere med og identificere forbindelsen gennem optiske signaturer.

"En kiselalger er en naturlig, levende type fytoplankton, der skaber meget præcise, små strukturer, " sagde Wang. "Når væsker afsættes på det med omhyggeligt kontrollerede inkjet-enheder, dråberne fordamper hurtigt, men, i processen, bære molekylerne af interesse til kiselalgeroverfladen. Dette er nøglen til at øge følsomheden af ​​de fotoniske målinger."

Sensorteknologien, forskere siger, kan hurtigt og præcist identificere, hvilke forbindelser der er til stede, og cirka hvor meget.

I en demonstration i denne forskning, forskerne forsøgte at identificere trinitrotoluen, eller TNT, en af ​​de almindelige ingredienser i sprængladninger – herunder de skjulte miner, der har forårsaget adskillige skader og dødsfald i kampsituationer. TNT er et kemikalie med meget lav flygtighed, hvilket betyder, at den har begrænset fordampning, og forholdsvis få molekyler undslipper, der kunne tillade detektion. I en skjult bombe, det er svært at finde.

Denne nye teknologi var en million gange mere følsom til at identificere TNT end andre almindelige tilgange, sagde Wang. En monitor baseret på denne tilgang, der kunne være hurtig og præcis i militære situationer, kan en dag hjælpe med at redde liv, han sagde.