Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har utvecklat en sensor i frimärksstorlek som kan upptäcka spårmängder av vissa kemiska krigföringsmedel, som sarin, inom några minuter. Forskningen är publicerad i ACS Omega .

Sarin är ett konstgjord nervmedel som kan spridas som gas eller vätska. Enligt Center for Disease Control, exponering för stora doser kommer att överstimulera körtlar och muskler, och kan leda till medvetslöshet eller andningssvikt. Även små doser kan orsaka en lång lista med plågsamma och farliga symtom.

"Lågnivåexponering av nervgift leder till tvetydiga tecken och symtom som inte lätt kan särskiljas från andra tillstånd, vilket kan leda till fördröjning av behandlingen och permanenta skador, sade Paul Braun, professor i materialvetenskap och teknik, och chef för Illinois Materials Research Laboratory. "Om spårmängder kan upptäckas snabbt, du kan förhindra permanent skada på människors hälsa."

"Det finns sofistikerade sensorer tillgängliga, men de är stora och dyra, och därför kan vissa individer exponeras för sarin utan att veta om det, och det är för sent, ", sa han. "Nuvarande miniatyrsensorer visade bara närvaron av ett toxin, inte mängden exponering." Befintliga små sensorer kanske inte är tillräckligt känsliga för att ge tillräckligt skydd.

Tekniken etablerad i detta nya papper byggde på tidigare arbete från Braun -gruppen, som hade utvecklat "kemiska svarta hål" på en liten hydrogelytor som drog molekyler mot en punktsensor via en kemisk potentialgradient.

Brauns grupp visste att tekniken hade potential men behövde vidareutvecklas.

"Problemet var att molekylerna rörde sig för långsamt, " sa Braun. "Det skulle ta en timme till en dag att flytta molekyler en centimeter, och vi hade inget bra sätt att göra kvantitativ detektion."

Dock, den kemiska svarta håltekniken bevisade att vetenskapen bakom en kemisk gradient skulle fungera, och nästa steg var att ta reda på en "detektionsteknik som kunde göra en verklig inverkan."

Att veta att de behövde något mindre än långsamma molekyler, forskarna exponerade en säker version av en sarinliknande molekyl för enzymet DFPase, får molekylen att genomgå hydrolys, och delas upp i flera delar. En av dessa delar var en negativt laddad fluoridjon.

"Fluoridjonen är lätt att detektera elektrokemiskt, sa Mohammad Amdad Ali, en postdoktor i Brauns grupp, och första författare på tidningen. "Och, för den är så liten, den rör sig mycket snabbare än en molekyl. Om vi ​​har en yta med positivt laddad gradient som fokuserar en punkt i mitten av sensorn som verkligen gillar (attraherar fluoridjonen), istället för att ta timmar, det tar bara några minuter för alla fluoridjoner att hamna vid ett tillfälle. "

"Vi kunde skapa en gelfilm som inte bara bröt ner molekylen, men drog de negativt laddade fluoridjonerna in i en inbäddad fluoridjonspecifik sensor i mittpunkten, och läs hur mycket fluor vi hade. När vi väl vet hur mycket fluor vi har, vi vet hur mycket sarin sensorn utsattes för, Sa Braun.

"Den fluoridjonspecifika elektrokemiska sensorn har en låg detektionströskel, och därmed kan detektera en mycket låg nivå av fluoridjoner, "sa Ali." Med det nuvarande tillståndet för vår prototypsensor, vi kunde detektera aerosoldeponerad sarinliknande molekyl från en ångkoncentration så låg som 0,01 mg/m3 inom 10 minuter, " han lade till.

Nästa steg är att testa sensorerna i en miljö som är inrättad för att hantera själva nervgiften.

"Det slutliga målet är att tillverka något tillräckligt litet, som ett frimärke, som kan bäras på en uniform för att detektera gas eller kan tas bort för att testa en yta som inom några minuter kommer att berätta om medlet är närvarande och hur mycket av medlet som finns där, sa Braun.

"Det kommer inte att berätta om alla gifter, men det kommer att berätta om en begränsad uppsättning föreningar mycket snabbt, "sa han." Om du får reda på att sarin är närvarande, du har mycket bättre chans att få rätt motgift."