Forskning vid Oregon State University har drivit vetenskapen närmare utvecklingen av en elektronisk näsa för övervakning av luftkvalitet, upptäcka säkerhetshot och diagnostisera sjukdomar genom att mäta gaser i patientens andetag.

Nyligen publicerad forskning ledd av Cory Simon, biträdande professor i kemiteknik vid OSU College of Engineering, i samarbete med professor i kemiteknik Chih-Hung Chang fokuserat på material som kallas metall-organiska ramverk, eller MOF.

Forskningen tog sikte på ett kritiskt men ändå undersökt hinder för att använda MOF som gassensorer:Av miljarder möjliga MOF, hur bestämmer du de rätta för att bygga den optimala elektroniska näsan?

MOF har nanoserade porer och selektivt adsorberar gaser, liknande en svamp. De är idealiska för användning i sensorarrayer på grund av deras avstämning, gör det möjligt för ingenjörer att använda en mängd olika material som gör att en rad MOF-baserade sensorer kan leverera detaljerad information.

Beroende på vilka komponenter som utgör en gas, olika mängder av gasen kommer att absorberas i varje MOF. Det betyder att gasens sammansättning kan utläsas genom att mäta den adsorberade gasen i gruppen av MOF:er med hjälp av mikroskalabalanser.

Utmaningen är att alla MOFs adsorberar alla gaser - inte i samma utsträckning, men avsaknaden av perfekt selektivitet hindrar ingenjör från att bara säga, "låt oss bara ägna denna MOF åt koldioxid, den där till svaveldioxid, och en annan till kvävedioxid. "

"Att kurera MOF för gassensoruppsättningar är inte så enkelt eftersom varje MOF i matrisen avsevärt kommer att absorbera alla tre av dessa gaser, "Sa Simon.

Mänskliga näsor navigerar i samma problem genom att förlita sig på cirka 400 olika typer av luktreceptorer. Ungefär som MOF:erna, varje luktreceptor aktiveras av många olika lukter, och varje lukt aktiverar många olika receptorer; hjärnan analyserar svarsmönstret, så att människor kan urskilja en mängd olika lukter.

"I vår forskning, vi skapade en matematisk ram som tillåter oss, baserat på MOF:s adsorptionsegenskaper, för att bestämma vilken kombination av MOF som är optimal för en gassensormatris, "Sa Simon." Det kommer oundvikligen att bli några små fel i mätningarna av massan av adsorberad gas, och dessa fel kommer att korrumpera förutsägelsen av gassammansättningen baserat på givarens matrisvar. Vår modell bedömer hur väl en given kombination av MOF kommer att förhindra att dessa små fel skadar uppskattningen av gassammansättningen. "

Även om forskningen främst var matematisk modellering, forskarna använde experimentell adsorptionsdata i riktiga MOF som input, Simon sa:tillägger att Chang är en experimentalist "som vi arbetar med för att skapa en verklig elektronisk näsa för att upptäcka luftföroreningar."

"Vi söker för närvarande extern finansiering tillsammans för att föra detta nya koncept till fysisk förverkligande, "Simon sa." På grund av detta papper, vi har nu en rationell metod för att beräkningsdesigna den sensoriska matrisen, som omfattar simulering av gasadsorption i MOF med molekylära modeller och simuleringar för att förutsäga deras adsorptionsegenskaper, sedan använda vår matematiska metod för att screena de olika kombinationerna av MOF för den mest exakta sensormatrisen. "

Vilket betyder att istället för ett experimentellt försök-och-fel-tillvägagångssätt för att bestämma vilka MOF:er som ska användas i en sensormatris, ingenjörer kan använda beräkningskraft för att samla den bästa samlingen MOF för en elektronisk näsa.

En annan spännande tillämpning av en sådan näsa kan vara att diagnostisera sjukdom. De flyktiga organiska föreningar som människor avger, som genom vårt andetag, är fyllda med biomarkörer för flera sjukdomar, och studier har visat att hundar - som har dubbelt så många olika luktreceptorer som människor - kan upptäcka sjukdomar med näsan.

Underbara trots att de är, dock, hunds näsor är inte lika praktiska för utbredd diagnostisk användning som en noggrant utformad och tillverkad sensoruppsättning skulle vara.

Resultaten av beräkningsmässig MOF -forskning publicerades i ACS -tillämpade material och gränssnitt .