Den pågående covid-19-pandemin har visat att världen behöver teknik som snabbt och exakt kan identifiera osynliga faror, inklusive skadliga ämnen eller luftburna miljöföroreningar. Kolorimetriska sensorer – enheter som intuitivt avslöjar information om sin miljö genom färgförändringar – är ett attraktivt alternativ i detta avseende. Men, för fler människor att dra nytta av dessa sensorer, de måste vara lätta att tillverka i stor skala. Detta är en stor begränsning med för närvarande tillgängliga kolorimetriska sensorer, som kräver komplexa strukturer med invecklade tillverkningsprocedurer. Andra problem med befintliga enheter inkluderar långsamma svarstider och omättade färger.

Nu i en ny studie publicerad i Avancerad vetenskap , forskare vid Gwangju Institute of Science and Technology, Korea, har försökt ta itu med dessa begränsningar genom att utveckla en ny typ av kolorimetrisk sensor som består av ett tunt lager av virus som kallas M13-bakteriofager. De använde den här typen av virus eftersom det kan ändra sin struktur – och därmed dess optiska egenskaper – som svar på förändringar i den omgivande miljön, såsom förekomsten av skadliga föreningar. Prof Young Min Song, som ledde studien, förklarar, "I vår studie, vi introducerade M13-bakteriofagen, som är ett nanometerstort filamentöst virus, som ett avkännande lager på grund av dess volymetriskt expanderande egenskaper."

Forskarna genetiskt modifierade M13-bakteriofagerna genom att kombinera dem med ett "högt förlustigt ultratunt resonanspromotorskikt" (HLRP) som substrat. Sedan, de maximerade resonansen hos virusens beläggningslager genom att optimera substratet så att bakteriofagen blev extremt känslig för specifika luftburna ämnen. Detta gjorde det möjligt för "virusen" att upptäcka kemikalier i mycket låga koncentrationer — så låga som tiotals delar per miljard. Prof Song förklarar tekniken, "Specifikt, genom optimering av viruslageravsättningen, virusskiktet var belagt med ultratunn dimension, vilket ökade detektionshastigheten. HLRP med resonansförbättring applicerades för att erhålla en distinkt färg även med en tjockleksförändring i nanometerskala i M13-bakteriofagvirusskiktet. Följaktligen, färgförändringen maximerades av optimerade resonansförhållanden."

Forskarna testade den nya sensorn med miljövariabler, som förändringar i luftfuktighet, och med föreningar som flyktiga organiska kemikalier och hormonstörande kemikalier. I båda fallen, förändringar i dessa stimuli kunde framgångsrikt observeras genom distinkta färgförändringar i sensorn, visar därmed dess praktiska användbarhet.

Den här nya designen för mycket effektiv och massproducerbar kolorimetrisk sensor lovar mycket för en mängd olika verkliga tillämpningar, som att upptäcka skadliga industrikemikalier eller bedöma luftkvaliteten. Till råga på allt, dessa sensorer kan bli ovärderliga verktyg i kliniska miljöer, som Prof Song säger, "I framtiden, framsteg inom genteknik kommer att öka sensorernas känslighet och utöka deras tillämpbarhet till den medicinska industrin, där de skulle kunna användas som diagnostiska kit för att upptäcka specifika virus och patogener."

Med ytterligare forskning, denna teknik kommer förhoppningsvis att fungera som ett kraftfullt sätt att visa de sanna färgerna av osynliga luftburna hot.