Инженеры-химики Университета Висконсин-Мэдисон разработали новый способ создания недорогих химических сенсоров для обнаружения взрывчатых веществ, промышленных загрязнителей или даже химических маркеров заболеваний в дыхании пациента.
Манос Маврикакис и Николас Л. Эбботт, профессора химической и биологической инженерии Университета Вашингтона в Мэдисоне, объединили свой опыт в области вычислительной химии и жидких кристаллов, чтобы превратить датчик, созданный Эбботтом для обнаружения молекулярного аналога смертоносного газа зарина, в дорожную карту для настройки аналогичных датчиков на пометку других опасных или важных химических веществ.
«Мы создали новую структуру», - говорит Маврикакис.
Исследователи описали материал в журнале Nature Communications.
Их концепция представляет собой новый подход к оптимизации компонентов жидкокристаллического сенсора, подобных тем, что используются в плоских телевизорах: катионов металлов (положительно заряженных ионов), анионов солей, растворителей и молекул, которые образуют жидкие кристаллы.
В исследовании использовались знания Маврикакиса в области вычислительной химии и опыт Эбботта в области экспериментов, которые чередовались между квантово-химическим моделированием и лабораторными экспериментами для оптимизации компонентов сенсора для целевого вещества. Настраивая каждый из отдельных компонентов по очереди, они определили идеальную конфигурацию, которая специфически реагировала на молекулу, которую они хотели ощутить, называемую аналитом. Тот же подход может дать новые датчики для множества различных аналитов.
В будущем, например, такие материалы можно будет использовать для определения свежести рыбы или мяса на основе присутствия следовых количеств дурно пахнущей молекулы кадаверина. Другой вариант можно использовать для выявления респираторных заболеваний на основе анализа малых молекул, таких как оксид азота, в выдыхаемом воздухе.
Изготовление таких специфических и чувствительных материалов в лаборатории - непростая задача. Для сложных сенсоров, состоящих из нескольких компонентов, смешивание и сопоставление химических веществ в надежде найти идеальное сочетание трудоемко и неэффективно.
Вместо многих лет проб и ошибок исследователи обратились к компьютерному моделированию, прежде чем приступить к экспериментам в лаборатории.
«Это действительно первый случай, когда вычислительная химия с квантовой механикой была использована для создания согласованного способа мышления для сужения возможных решений чрезвычайно сложной проблемы», - говорит Маврикакис, чья работа была поддержана Национальный научный фонд и Управление армейских исследований.
И после определения многообещающих кандидатов исследователи использовали реальные измерения для дальнейшего уточнения и улучшения своих вычислительных моделей.
Материал датчика состоит из тонкой пленки соли металла с прикрепленными к поверхности жидкими кристаллами, направленными в одном направлении. Исследователи разработали особые молекулы жидких кристаллов и катионы металлов, чтобы небольшие количества аналита нарушали взаимодействие жидких кристаллов с поверхностью и нарушали упорядоченное расположение. Изменение жидкого кристалла будет видимым индикатором присутствия анализируемого вещества.
В отличие от дорогих испарительных машин для обнаружения взрывчатых веществ в аэропортах, которые полагаются на сложное масс-спектрометрическое или высокопроизводительное жидкостное хроматографическое оборудование, эти жидкокристаллические датчики могут быть портативными, носимыми и недорогими.
Исследователи планируют изучить новые комбинации дополнительных аналитов и разработать новые жидкокристаллические молекулы в сочетании с другими солями металлов и растворителями, чтобы сделать датчики еще более чувствительными и селективными.