En levande organisms näsa är i huvudsak en biologisk molekyldetektor som skickar neurologiska signaler till hjärnan, som sedan avkodar en viss doft. Människonäsor, med sex miljoner luktreceptorer, kan urskilja mer än en biljon dofter, medan vissa hundnäsor har upp till 300 miljoner receptorer, vilket ger ökad känslighet i delar per biljon.
"Elektroniska näsor" är elektroniska enheter som kan "nosa" och identifiera förångade lukter och smaker. Dessa syntetiska nosar är vanligtvis kopplade till en betydande mängd laboratorieutrustning och är inte lätta att bära, vilket motiverar forskare att ta fram nya, transportabla sensorer som kan identifiera ett brett spektrum av kemikalier.
Forskare vid University of Pittsburgh Swanson School of Engineering har främjat den potentialen genom att designa ett småskaligt system som bildar tredimensionella mönster, som fungerar som kemiska "fingeravtryck" som gör att kemikalier i lösningar kan identifieras. Huvudutredare är Anna C. Balazs, framstående professor i kemiteknik, med huvudförfattare och postdoc Muslim Moradi, och postdoc Oleg E. Shklyaev. Verket visas i Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Katalysatorer är mycket selektiva; endast vissa reaktanter kan utlösa en viss katalytisk reaktion. På grund av denna selektivitet kan katalysatorer i en lösning avslöja reaktanternas identitet. Om rätt reaktanter tillsätts till vätskan, så genererar den resulterande reaktionen den spontana flödet av vätskan, i sin tur, kan böja och forma flexibla föremål nedsänkta i lösningen," förklarade Balazs.
"Om flexibla stolpar är fästa vid basen av en vätskefylld kammare och belagda med specifika enzymer, kommer de tillsatta reaktanterna att tvinga stolparna att böjas i olika riktningar och bilda distinkta visuella mönster.
"Det som är fantastiskt är att varje reaktant, eller kombination av reaktanter, producerar ett separat mönster. I själva verket lämnar kemikalierna ett distinkt "fingeravtryck", vilket gör att vi kan identifiera lösningens kemiska sammansättning."
I simuleringen konstruerade Moradi en kammare på fyra millimeter i kvadrat och en millimeter på höjden, med 81 flexibla stolpar. Endast ett fåtal stolpar på särskilda platser var belagda med en av tre typer av enzymer.
"Om vi undersöker specifika reaktioner kan vi urskilja de former de bidrar till det övergripande mönstret. Följaktligen kan vi kontrollera mönstren och justera deras utseende." sa Moradi. "Dessutom, om reaktanterna tillsätts en i taget, kan vi bilda ett kemiskt kalejdoskop eftersom ett mönster smidigt förvandlas till ett annat när de tidigare reaktanterna förbrukas av reaktionen och en ny reaktant läggs till lösningen."
Shklyaev tillade att dessa resultat är anmärkningsvärda eftersom inläggen liknar elektroniska noder. "Stopparna är som på-av-knappar och rör sig i en specifik riktning som regleras av flödet," sa han, "och mönstren avslöjar de kemiska fingeravtrycken. Kemin sker på nanoskala, och vi observerar på millimeterskalan synliga mönster bildas av stolpen, som kan reflektera ljus och därmed kan upptäckas med blotta ögat."
Samtidigt framhäver resultaten ett sätt att styra flödet i kammaren utan att bygga nya väggar för varje applikation, vilket potentiellt kan bredda användbarheten av en given vätskeanordning.
"Våra tester använde tre olika enzymer som gör att vi kan generera flera olika mönster som svar på endast tre olika kemikalier. Eftersom var och en av de 81 stolparna potentiellt skulle kunna beläggas med ett annat enzym, ökar det totala antalet möjliga mönster exponentiellt med antalet inläggen På en konceptuell nivå är mönstren en analog av de elektrokemiska reaktionerna som hjärnan gör för att identifiera lukter eller dofter."
Balazs sa:"Eftersom varje reaktant lämnar ett specifikt fingeravtryck kan vi bilda en databas med mönster. Vi kan använda den här databasen för att upptäcka ett farligt kemikalie eller vattenburet toxin genom att jämföra det genererade mönstret med andra i databasen för att identifiera en matchning. Vårt system lägger grunden för en enkel, bärbar verktygslåda som låter dig lägga till kemikalien i en kammare och det resulterande visuella mönstret identifierar ämnet. Det är en vacker men enkel kemisk näsa."
Mer information: Muslim Moradi et al, Integrering av kemi, vätskeflöde och mekanik för att driva spontan bildning av tredimensionella (3D) mönster i förankrade mikrostrukturer, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2319777121
Tillhandahålls av University of Pittsburgh
