Inom analytisk kemi är det ofta nödvändigt att noggrant övervaka koncentrationsförändringen av vissa ämnen i vätskor på en tidsskala av sekunder. Särskilt inom läkemedelsindustrin behöver sådana mätningar vara extremt känsliga och tillförlitliga.

En ny typ av sensor har utvecklats vid TU Wien som är mycket lämpad för denna uppgift och kombinerar flera viktiga fördelar på ett unikt sätt:baserad på skräddarsydd infraröd teknologi är den betydligt känsligare än tidigare standardenheter. Dessutom kan den användas för ett brett spektrum av molekylkoncentrationer och den kan fungera direkt i vätskan. Detta är konsekvensen av dess kemiska robusthet och ger därmed data i realtid, dvs inom bråkdelar av en sekund. Dessa resultat har nu publicerats i Nature Communications .

Olika molekyler absorberar olika våglängder

"För att mäta koncentrationen av molekyler använder vi strålning i det mellaninfraröda spektralområdet", säger Borislav Hinkov, chef för forskningsprojektet från Institute of Solid State Electronics vid TU Wien. Detta är en välkänd teknik:molekyler absorberar specifika våglängder i det mellaninfraröda området, medan andra våglängder sänds utan dämpning. Således har olika molekyler sitt mycket specifika "infraröda fingeravtryck". Genom att noggrant mäta den våglängdsberoende absorptionshållfasthetsprofilen är det möjligt att bestämma koncentrationen av en viss molekyl i provet vid varje given tidpunkt.

Infraröd spektroskopi har rutinmässigt använts vid gasavkänning under lång tid. Den nya bedriften för teamet vid TU Wien är implementeringen av denna teknik på ett sensorchip i fingertoppsstorlek, som är speciellt lämpligt för vätskeavkänning. Att utveckla en sådan sensor var en teknisk såväl som en analytisk utmaning, eftersom vätskor absorberar infraröd strålning mycket starkare än gaser. Den kompakta vätskesensorn realiserades i samarbete med Benedikt Schwarz från Institute of Solid State Electronics och tillverkades i Center for Micro- and Nanostructures, TU Wiens toppmoderna renrum.

"Vi behöver bara några mikroliter vätska för en mätning", säger Borislav Hinkov. "Och sensorn levererar data i realtid — många gånger per sekund. Således kan vi exakt övervaka en förändring i koncentrationen i realtid och mäta det aktuella skedet av en kemisk reaktion i bägaren. Detta står i stark kontrast till andra referensteknologier , där du behöver ta ett prov, analysera det och vänta upp till minuter på resultatet."

Samarbete mellan olika discipliner är nyckeln

Detta möjliggjordes genom ett samarbete mellan avdelningarna för elektroteknik och kemi vid TU Wien:Institute of Solid State Electronics har lång erfarenhet av design och tillverkning av så kallade kvantkaskadlasrar och detektorer. De är små halvledarbaserade enheter som kan sända ut eller detektera infraröd laserstrålning med en exakt definierad våglängd baserat på deras mikro- och nanostruktur.

Den infraröda strålningen som sänds ut av en sådan laser penetrerar vätskan på mikrometerlängdskalan och mäts sedan av detektorn på samma chip. Med hjälp av dessa speciellt kombinerade ultrakompakta lasrar och detektorer skapades en avkänningsenhet och dess prestanda testades i första proof-of-concept-mätningar. Arbetet utfördes i samarbete med gruppen Bernhard Lendl från Institutet för kemiska teknologier och analyser.

Experimentell demonstration:ett protein ändrar sin struktur

För att demonstrera prestandan hos den nya mellan-infraröda sensorn valdes en reaktion från biokemi:Ett känt modellprotein upphettades och ändrade därigenom dess geometriska struktur. Till en början har proteinet formen av en spiralliknande spiral, men vid högre temperaturer utvecklas det till en platt struktur. Denna geometriska förändring förändrar också proteinets speciella mellaninfraröda fingeravtrycksabsorptionsspektrum. "Vi valde två lämpliga våglängder och tillverkade lämpliga kvantkaskadbaserade sensorer, som vi integrerade på ett enda chip", säger Borislav Hinkov. "Och faktiskt, det visar sig:du kan använda den här sensorn för att observera den så kallade denatureringen av det valda modellproteinet med hög känslighet och i realtid."

Tekniken är extremt flexibel. Det är möjligt att justera de nödvändiga våglängderna efter behov för att studera olika molekyler. Det är också möjligt att lägga till ytterligare kvantkaskadsensorer på samma chip för att mäta olika våglängder och på så sätt särskilja koncentrationen av olika molekyler samtidigt. "Detta öppnar upp ett nytt fält inom analytisk kemi:Mid-infraröd spektroskopi i realtid av vätskor", säger Borislav Hinkov.

De möjliga tillämpningarna är extremt olika – de sträcker sig från observation av termiskt inducerade strukturella förändringar av proteiner och liknande strukturella förändringar i andra molekyler, till realtidsanalys av kemiska reaktioner, till exempel i farmaceutisk läkemedelsproduktion eller i industriella tillverkningsprocesser. Överallt där det finns behov av att övervaka dynamiken i kemiska reaktioner i vätskor, kan denna nya teknik ge viktiga fördelar. + Utforska vidare

Kvantsnuffarhunden