Tänk om du kunde testa för kokain, opioider och marijuana lika snabbt som en alkomätare identifierar alkohol?

En ny, billiga kemikalieavkänningschip tar oss ett steg närmare denna teknik, som länge stått på önskelistan för poliser och andra som vill övervaka droganvändning och stävja farlig körning.

Chipet kan integreras i en handdator, bärbar anordning för att upptäcka droger i biologiska prover såsom blod, andetag, urin eller spott.

"För närvarande, det finns en stor efterfrågan på drogtester på plats, " säger Qiaoqiang Gan, PhD, docent i elektroteknik vid universitetet vid Buffalo School of Engineering and Applied Sciences. "Det högpresterande chipet vi designade kunde upptäcka kokain inom några minuter i våra experiment. Det är också billigt:​​det kan tillverkas med råvaror som kostar runt 10 cent, och tillverkningsteknikerna vi använde är också billiga."

"I framtiden, vi hoppas kunna använda denna teknik för att upptäcka andra droger, inklusive marijuana, ", tillägger han. "Den ökande legaliseringen av marijuana väcker många samhälleliga frågor, inklusive behovet av ett system för att snabbt testa förare för droganvändning."

Gan utvecklade det nya chippet med ett team som inkluderade förstaförfattarna Jun Gao, en forskarassistent i materialvetenskap vid Fudan University i Kina, och Nan Zhang, en doktorand vid UB, tillsammans med kollegor från UB Institutionen för elektroteknik; UB Research Institute on Addictions; och UB Department of Community Health and Health Behavior i UB School of Public Health and Health Professions.

Studien, finansierat av National Science Foundation, publicerades den 7 maj i tidskriften Små metoder .

Upptäcka det kemiska fingeravtrycket av kokain och andra droger

Det nya chipet är en konstruerad nanostruktur som fångar ljus vid kanterna av guld- och silvernanopartiklar. När biologiska eller kemiska molekyler landar på chipets yta, en del av det fångade ljuset interagerar med molekylerna och "sprids" in i ljuset av nya energier. Denna effekt uppstår i igenkännliga mönster som fungerar som fingeravtryck, avslöjar information om vilka föreningar som finns.

Eftersom alla kemikalier – kokain, opioider, och aktiva ingredienser i marijuana – har sina unika ljusspridande signaturer, forskare kan använda tekniken för att snabbt identifiera ett brett spektrum av kemikalier.

Denna avkänningsmetod kallas ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS), och det är inte nytt. Men chippet som Gans team utvecklade är anmärkningsvärt för sin höga prestanda och låga kostnad.

"SERS har mycket lovande för snabb upptäckt av droger och andra kemikalier, men materialen som krävs för att utföra avkänningen är vanligtvis ganska dyra, " säger Zhang. "De chips som används för SERS tillverkas vanligtvis med dyra metoder, såsom litografi, som skapar specifika mönster på ett metallsubstrat. Vi skapade vårt chip genom att deponera olika tunna lager av material på ett glassubstrat, som är kostnadseffektivt och lämpar sig för produktion i industriell skala."

En optisk lagerkaka

Det nya chipet - en struktur som kallas en metayta - liknar en lagerkaka, med flera horisontella lager av material som sitter ovanpå varandra.

Specifikt, Tekniken består av ett ark av dielektriskt material (t.ex. kiseldioxid, aluminiumoxid, etc.) inklämt mellan en silverspegel (chipets bas) och ett hybridnanomaterial tillverkat av guld- och silvernanopartiklar (chipets aktiva yta).

Denna arkitektur är idealisk för SERS:Molekyler av kokain eller andra ämnen faller in i de små utrymmena mellan nanopartiklarna på chipets yta. Sedan, när strukturen utsätts för ljus för testning, silverspegeln och det dielektriska lagret fungerar som en "optisk kavitet, "manipulerar ljus på ett sätt som ökar antalet fotoner på chipets yta. I slutändan, detta intensifierar spridningssignaturen för föreningar som avkänns, vilket förbättrar upptäckten.

Tekniken har lång hållbarhet, med forskare som fann att den fungerade bra efter ett år i lagring. Chipets livslängd beror delvis på dess ytdesign:guldnanopartiklarna, som deponeras sist, hjälpa till att skydda silvernanopartiklarna från luften, som förhindrar oxidation, nedbrytning och nedsmutsning.

"Med vår struktur, vi kan realisera både hög prestanda och stabil prestanda över tid, " säger Gan.

Nästa steg i forskningen är att installera chippet på ett enkelt, bärbar testanordning. Denna teknik skulle först rinna blod, andetag, urin eller saliv genom en reningsprocess som extraherar specifika molekyler, som kokain eller andra droger. Sedan, alla kemikalier som fångas upp genom denna procedur skulle överföras till chippet för upptäckt och identifiering.