En ny, meget følsom kemisk sensor bruger protein nanotråde

Skriver i tidsskriftet NanoResearch, et hold ved University of Massachusetts Amherst rapporterer i denne uge, at de har udviklet bioelektroniske ammoniakgassensorer, der er blandt de mest følsomme, der nogensinde er lavet.

Sensoren anvender elektrisk ladningsledende protein-nanotråde afledt af bakterien Geobacter til at levere biomaterialer til elektriske apparater. For mere end 30 år siden, seniorforfatter og mikrobiolog Derek Lovley opdagede Geobacter i flodslam. Mikroberne dyrker hårlignende proteinfilamenter, der fungerer som nanoskala "ledninger" til at overføre ladninger til deres næring og til at kommunikere med andre bakterier.

Første forfatter og doktorand i biomedicinsk ingeniørvidenskab Alexander Smith, med sin rådgiver Jun Yao og Lovley, sige, at de designede denne første sensor til at måle ammoniak, fordi den gas er vigtig for landbruget, miljø og biomedicin. For eksempel, hos mennesker, ammoniak på åndedrættet kan signalere sygdom, i fjerkræopdræt, Gassen skal overvåges og kontrolleres nøje for fuglenes sundhed og komfort og for at undgå foderubalancer og produktionstab.

Yao siger, "Denne sensor giver dig mulighed for at foretage højpræcisionssensorer; den er meget bedre end tidligere elektroniske sensorer." Smith tilføjer, "Hver gang jeg laver et nyt eksperiment, Jeg er positivt overrasket. Vi havde ikke forventet, at de ville arbejde så godt, som de har. Jeg tror virkelig, de kunne have en reel positiv indvirkning på verden."

Smith siger, at eksisterende elektroniske sensorer ofte har enten begrænset eller lav følsomhed, og de er tilbøjelige til at interferere fra andre gasser. Ud over overlegen funktion og lave omkostninger, tilføjer han, "Vores sensorer er biologisk nedbrydelige, så de producerer ikke elektronisk affald, og de er produceret bæredygtigt af bakterier ved hjælp af vedvarende råvarer uden behov for giftige kemikalier."

Smith udførte eksperimenterne i løbet af de sidste 18 måneder som en del af sin ph.d. arbejde. Det var kendt fra Lovleys tidligere undersøgelser, at protein-nanotrådenes ledningsevne ændrede sig som reaktion på pH- opløsningens syre eller baseniveau- omkring proteinets nanotråde. Dette fik forskerne til at teste ideen om, at de kunne være meget lydhøre over for molekylebinding til biosensing. "Hvis du udsætter dem for et kemikalie, egenskaberne ændres, og du kan måle responsen, " bemærker Smith.

Da han udsatte nanotrådene for ammoniak, "Reaktionen var virkelig mærkbar og betydelig, " siger Smith. "Tidligt, vi fandt ud af, at vi kunne tune sensorerne på en måde, der viser denne betydelige respons. De er virkelig følsomme over for ammoniak og meget mindre over for andre forbindelser, så sensorerne kan være meget specifikke."

Loveley tilføjer, at de "meget stabile" nanotråde holder længe, sensoren fungerer konsekvent og robust efter måneders brug, og fungerer så godt "det er bemærkelsesværdigt."

Yao siger, "Disse protein nanotråde er altid fantastiske for mig. Denne nye anvendelse er på et helt andet område, end vi havde arbejdet med før." Tidligere, holdet har rapporteret at bruge protein nanotråde til at høste energi fra fugt og anvende dem som memristorer til biologisk databehandling.

Smith, der kalder sig selv "iværksætter, "vandt førstepladsen i UMass Amhersts 2018 Innovation Challenge for opstartsforretningsplanen for det firma, han dannede med Yao og Lovley, e-biologi. Forskerne har fulgt op med en patentansøgning, fundraising, forretningsudvikling og forsknings- og udviklingsplaner.

Lovely siger, "Dette arbejde er det første proof-of-concept for nanotrådssensoren. Når vi kommer tilbage i laboratoriet, vi udvikler sensorer til andre forbindelser. Vi arbejder på at tune dem til en række andre forbindelser."