MIT-forskarnas sensor använder kolnanorör (i gult) täckta av proteinfragment för att upptäcka till och med en enda molekyl av ett sprängämne, såsom TNT-molekylen som visas här.
(PhysOrg.com) - MIT-forskare har skapat en ny detektor som är så känslig att den kan fånga upp en enda molekyl av ett sprängämne som TNT.
För att skapa sensorerna, kemiingenjörer under ledning av Michael Strano belagda kolnanorör – ihåliga, enatoms tjocka cylindrar gjorda av rent kol — med proteinfragment som normalt finns i bigift. Detta är första gången dessa proteiner har visat sig reagera på sprängämnen, specifikt en klass känd som nitroaromatiska föreningar som inkluderar TNT.
Om den utvecklas till kommersiella enheter, sådana sensorer skulle vara mycket känsligare än befintliga sprängämnesdetektorer — som vanligtvis används på flygplatser, till exempel — som använder spektrometri för att analysera laddade partiklar när de rör sig genom luften.
"Jonmobilitetsspektrometrar används i stor utsträckning eftersom de är billiga och mycket pålitliga. Men, denna nästa generation av nanosensorer kan förbättra detta genom att ha den ultimata detektionsgränsen, [upptäcka] enstaka molekyler av sprängämnen vid rumstemperatur och atmosfärstryck, säger Strano, Charles (1951) och Hilda Roddey Karriärutveckling Docent i kemiteknik.
En före detta doktorand i Stranos labb, Daniel Heller (nu Damon Runyon Fellow vid MIT:s David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research), är huvudförfattare till en artikel som beskriver tekniken i Proceedings of the National Academy of Sciences . Tidningen kommer ut på nätet den här veckan.
Strano har ansökt om patent på tekniken, som använder sig av proteinfragment som kallas bombolitiner. "Forskare har studerat dessa peptider, men så vitt vi vet, de har aldrig visat sig ha en affinitet för och känna igen explosiva molekyler på något sätt, " han säger.
På senare år har Stranos labb har utvecklat kol-nanorörsensorer för en mängd olika molekyler, inklusive kväveoxid, väteperoxid och giftiga ämnen som nervgasen sarin. Sådana sensorer drar fördel av kolnanorörens naturliga fluorescens, genom att koppla dem till en molekyl som binder till ett specifikt mål. När målet är bundet, rörens fluorescens ljusnar eller dämpas.
Den nya sprängämnessensorn fungerar på ett lite annorlunda sätt. När målet binder till bigiftsproteinerna som täcker nanorören, det ändrar det fluorescerande ljusets våglängd, istället för att ändra dess intensitet. Forskarna byggde en ny typ av mikroskop för att läsa signalen, som inte kan ses med blotta ögat. Denna typ av sensor, den första i sitt slag, är lättare att arbeta med eftersom den inte påverkas av omgivande ljus.
"För en fluorescerande sensor, att använda intensiteten hos det fluorescerande ljuset för att läsa signalen är mer felbenägen och bullrigare än att mäta en våglängd, " säger Strano.
Varje nanorör-peptidkombination reagerar olika på olika nitroaromatiska föreningar. Genom att använda flera olika nanorör belagda i olika bombolitiner, forskarna kan identifiera ett unikt "fingeravtryck" för varje sprängämne de kanske vill upptäcka. Nanorören kan också känna av nedbrytningsprodukterna från sådana sprängämnen.
"Föreningar som TNT sönderdelas i miljön, skapa andra molekyltyper, och dessa derivator kan också identifieras med denna typ av sensor, ", säger Strano. "Eftersom molekyler i miljön ständigt förändras till andra kemikalier, vi behöver sensorplattformar som kan detektera hela nätverket och klasser av kemikalier, istället för bara en typ."
Forskarna visade också att nanorören kan upptäcka två bekämpningsmedel som också är nitroaromatiska föreningar, vilket gör dem potentiellt användbara som miljösensorer. Forskningen finansierades av Institute for Soldier Nanotechnologies vid MIT.
Philip Collins, en professor i fysik vid University of California i Irvine, säger att det nya tillvägagångssättet är en ny förlängning av Stranos tidigare arbete med kol-nanorörsensorer. "Det är trevligt vad de har gjort - kombinerat ett par olika saker som inte är känsliga för sprängämnen, och visat att kombinationen är känslig, säger Collins, som inte var involverad i denna forskning.
Tekniken har redan väckt kommersiellt och militärt intresse, säger Strano. För att sensorn ska bli praktisk för utbredd användning, den skulle behöva kopplas till en kommersiellt tillgänglig koncentrator som skulle bringa alla molekyler som flyter i luften i kontakt med kolnanorören.
"Det betyder inte att vi är redo att sätta dessa på en tunnelbana och upptäcka sprängämnen omedelbart. Men det betyder att nu är sensorn i sig inte längre flaskhalsen, " säger Strano. "Om det finns en molekyl i ett prov, och om du kan få den till sensorn, du kan nu upptäcka och kvantifiera det."
