Kemister från University of Tokyo har designat små nanokuber som naturligt lyser blått under UV-ljus. Glödet är 3,9 gånger starkare när kuberna är fyllda med brandfarlig gas. Nanokuberna är ett första steg mot att skapa ett konstgjort system som efterliknar den naturliga byggnaden, avkännings- och rapporteringsförmåga hos biologiskt liv. Ursprungligen publicerad i Kommunikationskemi , DOI:10.1038/s42004-019-0212-6. Upphovsman:Zhan et al., CC-BY
En kub som är en 40-del så stor som en mänsklig röd blodkropp kan lysa när den upptäcker brandfarlig gas. Nanokuben, designad av kemister vid University of Tokyo, är en del av ett forskningsprojekt för att utveckla artificiella system som efterliknar den komplexa kedjan av händelser inuti levande celler.
Forskargruppen har arbetat med nanokubprojektet i över ett decennium. En nyckelfunktion hos nanokuben, bara två nanometer på varje sida, är att det sätter sig samman, försöker efterlikna hur proteiner och DNA sätter sig samman i levande celler.
Härmar livet
"Människor tänker automatiskt på enheter när vi pratar om sensorer. Men det finns många exempel på naturliga sensorer i kroppen, " sa professor Shuichi Hiraoka, den ledande forskaren i projektet från Tokyos universitets avdelning för grundläggande vetenskap.
Den grundläggande händelsekedjan i en cell för att detektera och rapportera någon signal har tre steg:(1) En receptor detekterar målmolekylen, (2) receptorn sänder en signal till reportern och (3) reportern sänder signalen någon annanstans i cellen.
Den glödande nanokuben förenklar systemet eftersom det är både receptorn (kubens insida) och reportern (glödet). "Den här vägen, vi undviker problemet med att överföra information från mottagaren till reportern, " förklarade Hiraoka.
Nanocube-sensorer omsluter helt molekylerna de innehåller, vilket innebär att de kan vara särskilt användbara för att skilja mellan molekyler som är formade som enkla kedjor av olika längd (alkaner) utan unika funktionella grupper.
Glödande med gas
Forskare vid University of Tokyo har byggt en enkel, billig, mycket känslig och specifik detektor för flytande petroleumgas (LPG). Gasen detekteras av en liten låda som kallas en nanokub, ungefär en fyrtiodel av storleken på en mänsklig röda blodkropp. Nanokuben lyser blått under fluorescerande ljus när den är fylld med gasen. Ursprungligen publicerad i Kommunikationskemi DOI:10.1038/s42004-019-0212-6 Kredit:Zhan et al., CC-BY
Den senaste analysen visar att nanokuberna lyser blått under ultraviolett (UV) ljus när de fylls med flytande petroleumgas (LPG), en typ av brandfarlig gas. Kemikalien som kuben är gjord av är ett vitt pulver när det är torrt, men när den blandas i vatten, sex kugghjuls- eller snöflingaformade molekyler ansluts automatiskt för att bilda kuberna. Den naturliga glöden, eller fluorescens, av nanokuberna är en balans mellan två konkurrerande fysiska egenskaper hos dessa molekyler:Glödet är begränsat när molekylerna staplas som pannkakor, men förstärks när molekylerna låses på plats och sträcks något isär från varandra.
Tre molekyler samlas i varje hörn av kuben, så deras kanter är "staplade" ihop, begränsar glöden. När kuben fylls med gas, hörnen buktar något och den stretchen förstärker glöden.
Nanocube gasdetektorer
Forskarna byggde en billig, enkel gasdetektor som endast använder nanokuberna, ett vanligt UV-ljus och en fluorescerande ljusdetektor. Nanokuberna är lika känsliga som alla nuvarande gasdetektorer, vilket innebär att de kunde upptäcka mycket låga mängder gasol.
Dock, nanokuberna är otroligt specifika för gasol. De upptäcker inte andra liknande typer av brandfarlig gas, såsom metan (naturgas) eller koldioxid (CO 2 ). Denna specificitet uppstår troligen eftersom exakt tre molekyler av gasol kommer in i liknande block i spelet Tetris för en perfekt passform inuti nanokuben.
Vanliga gasdetektorer har inte denna specificitet och kommer att larma för alla typer av farlig gas. "Det faktum att vanliga sensorer inte kan skilja dessa liknande gaser är verkligen inga problem, eftersom de alla är farliga för oss, " sa Hiraoka.
Istället för att designa en ny gasdetektor, forskarnas sanna mål är att efterlikna den komplexa händelsekedjan för att upptäcka och rapportera signaler i levande celler. Forskare planerar ytterligare projekt för att förändra nanokubernas byggstenar så att kuberna kan upptäcka olika molekyler och rapportera olika signaler.
