Sensorer som nosar upp kemikalier i luften för att varna oss för allt från bränder till kolmonoxid till rattfyllerister till explosiva anordningar gömda i bagage har förbättrats så mycket att de till och med kan upptäcka sjukdomar på en persons andetag. Forskare från Drexel University och Korea Advanced Institute of Science and Technology har gjort en upptäckt som kan göra våra bästa "kemiska näsor" ännu mer känsliga.

I forskning, nyligen publicerad i tidskriften American Chemical Society ACS Nano , teamet beskriver hur en tvådimensionell, metalliskt material som kallas MXene kan användas som en mycket känslig detektor för gasformiga kemikalier. Tidningen föreslår att MXene kan plocka upp kemikalier, som ammoniak och aceton, som är indikatorer på sår och diabetes, i mycket lägre spår än sensorer som för närvarande används i medicinsk diagnostik.

"MXene är en av de mest känsliga gassensorerna som någonsin rapporterats. Denna forskning är betydelsefull eftersom den utökar intervallet för detektering av vanliga gaser, vilket gör att vi kan detektera mycket låga koncentrationer som vi inte kunde detektera tidigare, sa Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University och Bach Professor vid Drexels College of Engineering, som var en ledande Drexel-författare till studien. "Den höga känsligheten hos enheten kan användas för att upptäcka giftiga gaser eller föroreningar som finns i vår miljö."

Gogotsis forskningsgrupp för nanomaterial, från Drexels institution för materialvetenskap och teknik, tillsammans med Hee-Tae Jung, Ph.D., en professor vid KAIST i Daejeon, Sydkorea för att utforska de gasavkännande egenskaperna hos titankarbid MXene. Nyckeln till dess utmärkta doftavlägsnande kapacitet är att MXene både är mycket ledande och genomgår en mätbar förändring av elektrisk ledningsförmåga i närvaro av kemikalien som den är designad för att detektera – och endast när just den kemikalien är närvarande.

Denna urskillning kallas "signal-till-brus"-förhållandet i världen av kemiska sensorer och det används för att rangordna kvaliteten på sensorer - målet är att ta upp mer signal och mindre brus. De som används idag - mestadels i medicinska miljöer för att upptäcka kemikalier som aceton, etanol och propanol, eller i alkomätare för att upptäcka alkohol – har ett signal-brusförhållande mellan 3-10, MXene är mellan 170 och 350, beroende på kemikalien.

"Om materialet kan reagera på gaser genom att ge en stark signal, samtidigt som den är ledande och uppnår lågt elektriskt brus, sensorn kan upptäcka gaser i mycket låga koncentrationer eftersom signal-brusförhållandet är högt – detta är helt klart fallet med MXene, ", sa Gogotsi. "MXene kan upptäcka gaser i intervallet 50-100 delar per miljard, som är under den koncentration som krävs för att nuvarande sensorer ska kunna upptäcka diabetes och ett antal andra hälsotillstånd."

Denna känslighetsnivå kan vara extremt viktig för upptäckt av sjukdom. Förutom sår och diabetes, andningsanalys utvecklas för närvarande för tidig diagnos av flera typer av cancer, cirros, multipel skleros och njursjukdom. Om de kemiska indikatorerna för dessa sjukdomar kan upptäckas i lägre koncentrationer är det mer sannolikt att de diagnostiseras och behandlas i tidigare skeden.

MXenes fördel gentemot konventionella sensormaterial ligger i dess porösa struktur och kemiska sammansättning. Materialet är bra på att både tillåta gasmolekyler att röra sig över dess yta och haka fast, eller adsorbera, vissa som är kemiskt attraherade av det, uppvisar god selektivitet.

Gogotsis team har utforskat MXenes sedan materialets upptäckt vid Drexel 2011. Gruppen har kunnat skapa och studera mer än två dussin olika kemiska sammansättningar för materialet, vilket innebär att de kan användas för att skapa sensorer för en mängd olika gaser.

I framtiden, Gogotsi föreslår, MXene-sensorer kan spela en viktig roll i miljöövervakning, energiskörd och lagring, samt hälso- och sjukvård.

"Nästa steg för att främja denna forskning kommer att vara att utveckla sensorkänslighet för olika typer av gaser och förbättra detekteringsselektiviteten mellan olika gaser, ", sa Gogotsi. "Vi kan också föreställa oss personliga sensorer som kommer att finnas i våra smarta telefoner eller träningsspårare, övervaka kroppsfunktioner och miljön medan vi arbetar, sömn eller träning, nås med ett fingertryck. Att förbättra detektionskänsligheten med nya material är det första steget mot att göra dessa enheter till verklighet."