Nanoteknologin utvecklar verktyg som liknar Star Treks "tricorder" som utför kemisk analys på plats för en rad applikationer inklusive medicinska tester, detektering av sprängämnen och livsmedelssäkerhet.

Forskare fann att när papper som användes för att samla in ett prov var belagt med kolnanorör, spänningen som krävdes var 1, 000 gånger reducerad, signalen skärptes och utrustningen kunde fånga mycket känsligare molekyler.

Ett team av forskare från Purdue University och Indian Institute of Technology Madras utförde studien, som beskrivs i ett utsett "mycket viktigt papper" av tidskriften Angewandte Chemie .

"Detta är ett stort steg i våra ansträngningar att skapa miniatyr, handhållna masspektrometrar för fältet, " sa R. Graham Cooks, Purdues Henry B. Hass framstående professor i kemi. "Den dramatiska minskningen av effekt som krävs innebär en minskning av batteristorlek och kostnad för att utföra experimenten. Hela systemet blir lättare och billigare, vilket för det så mycket närmare att vara lönsamt för lätt, Utbredd användning."

Cooks och Thalappil Pradeep, en professor i kemi vid Indian Institute of Technology Madras, Chennai, ledde forskningen.

"Att ta vetenskapen till folket är det viktigaste, ", sa Pradeep. "Masspektrometri är ett fantastiskt verktyg, men det finns ännu inte på varje läkares bord eller i fickan på jordbruksinspektörer och säkerhetsvakter. Bra tekniker har utvecklats, men vi måste finslipa dem till verktyg som är överkomliga, kan tillverkas effektivt och lätt att använda."

Den National Science Foundation-finansierade studien använde en analysteknik utvecklad av Cooks och hans kollegor som heter PaperSpray™-jonisering. Tekniken bygger på ett prov som erhållits genom att torka av ett föremål eller placera en droppe vätska på papper vått med ett lösningsmedel för att fånga upp rester från föremålets yta. En liten triangel skärs sedan från papperet och placeras på en speciell fäste på masspektrometern där spänning appliceras. Spänningen skapar ett elektriskt fält som förvandlar blandningen av lösningsmedel och rester till fina droppar som innehåller joniserade molekyler som hoppar av och sugs in i masspektrometern för analys. Masspektrometern identifierar sedan provets joniserade molekyler genom deras massa.

Tekniken beror på ett starkt elektriskt fält och nanorören fungerar som små antenner som skapar ett starkt elektriskt fält från en mycket liten spänning. En volt över några nanometer skapar ett elektriskt fält som motsvarar 10 miljoner volt över en centimeter, sa Pradeep.

"Knepet var att isolera dessa små, nanoskala antenner och hindra dem från att buntas ihop eftersom individuella nanorör måste sticka ut ur papperet, "Sade han. "Kolnanorören fungerar bra och kan dispergeras i vatten och appliceras på lämpliga substrat."

Indiens regerings nanomission stödde forskningen vid Indian Institute of Technology Madras och doktoranderna Rahul Narayanan och Depanjan Sarkar utförde experimenten.

Förutom att minska storleken på batteriet som krävs och energikostnaden för att köra testerna, den nya tekniken förenklade också analysen genom att nästan eliminera bakgrundsljud, sa kockar.

"Under dessa omständigheter, analysen är nästan brusfri och en skarp, tydlig signal från provet levereras, " sa han. "Vi vet inte varför detta är - varför bakgrundsmolekyler som omger oss i luften eller inifrån utrustningen inte joniseras och går in i analysen. Det är förbryllande, men trevlig överraskning."

Den reducerade spänningen som krävs gör också metoden skonsammare än de vanliga joniseringsteknikerna i PaperSpray™.

"Det är en väldigt mjuk metod, ", sa Cooks. "Sköra molekyler och komplex kan hålla ihop här när de annars inte skulle göra det. Detta kan leda till andra potentiella tillämpningar."

Teamet planerar att undersöka mekanismerna bakom minskningen av bakgrundsljud och potentiella tillämpningar av den milda metoden, men den mest lovande aspekten av den nya tekniken är dess potential att miniatyrisera masspektrometrisystemet, sa kockar.

Cooks är en pionjär inom masspektrometri och har arbetat i flera år för att ta masspektrometrar från storleken på en bil till den som en skokartong.

Tidigt i sin karriär utvecklade han omgivande joniseringstekniker som gjorde det möjligt att testa i luften eller direkt på en yta i dess naturliga miljö, i motsats till konventionella masspektrometritekniker som krävde kemisk separation, manipulationer av prover och inneslutning i en vakuumkammare för jonisering och analys. Omgivande jonisering banade väg för snabbare, mer bärbara masspektrometrianordningar som skulle kunna användas utanför ett laboratorium.

Cooks och hans samarbetspartner Zheng Ouyang, Purdue docent i biomedicinsk teknik och el- och datorteknik, har skapat flera generationer av miniatyrmasspektrometrar. De publicerade nyligen tidningar om den senaste generationen, "Mini 12, " i journalen Analytisk kemi .

Cooks och hans team har finjusterat verktygen för användning i molekylär avbildning för cancerdiagnostik och kirurgi; terapeutisk läkemedelsövervakning; testning av biomarkörer i urin; och identifiering av livsmedelsburna patogener, bakterie, rester av bekämpningsmedel och sprängämnen.

Cooks är associerad med flera Purdue forskningscentra, inklusive Bindley Bioscience Center, Purdue Center for Cancer Research och Center for Analytical Instrumentation Development.