Un rilevatore di fumo e monossido di carbonio Nest viene visto il 16 gennaio 2014, a Provo, Utah. George Frey/Getty Images Inspirare ed espirare è qualcosa che i nostri corpi fanno senza che dobbiamo pensarci. Infatti, raramente diamo un secondo pensiero all'aria che ci circonda fino a quando la qualità non è in qualche modo bassa, forse dal fumo di un incendio vicino o dallo smog che avvolge le nostre città affollate.
Ma possono esserci gas pericolosi che non sono sempre visibili. Il monossido di carbonio e il radon sono due esempi di contaminanti mortali dell'aria completamente invisibili. Non ci rendiamo conto di essere avvelenati dall'aria che respiriamo finché non è troppo tardi. Per fortuna, questi gas non sono così diffusi, e con l'aiuto di una piccola tecnologia di rilevamento chimico, possiamo lasciare che i rilevatori di monossido di carbonio e radon si preoccupino per noi.
I sensori chimici sono utili ben oltre il semplice rilevamento di gas mortali. Questi dispositivi possono essere trovati nelle nostre case, ospedali e militari. Esistono molti tipi diversi di sensori che rilevano diverse molecole bersaglio (noto anche come analiti ). Sebbene i sensori funzionino in vari modi, l'essenza è che si verifica un'interazione chimica tra l'analita e qualcosa nel sensore, e il dispositivo produce un segnale misurabile:un segnale acustico o un cambiamento di colore per avvisarci della presenza della molecola bersaglio.
Nonostante le differenze nella costruzione dei sensori, ci sono alcuni principi guida che rendono buono qualsiasi sensore. L'ideale è economico, infallibile e portatile. Più importante, qualsiasi sensore chimico ha due caratteristiche vitali:selettività e sensibilità. Ci sono più di 10 miliardi di sostanze molecolari nel mondo, quindi rilevare selettivamente una singola sostanza non è un'impresa da poco [fonte:Consiglio nazionale delle ricerche]. La sensibilità è anche incredibilmente importante per rilevare sostanze chimiche da una distanza considerevole o per cercare di trovare concentrazioni molto basse di una molecola bersaglio. Altre importanti caratteristiche del sensore sono il tempo di risposta, dimensione dell'imballaggio e limite di rilevamento:la quantità minima di una sostanza che può essere rilevata.
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Un rilevatore di monossido di carbonio può impedirti di essere avvelenato dai fumi di gas. BancheFoto/Immagini Getty Scienziati e ingegneri hanno sviluppato una varietà di sensori per scopi diversi, e come puoi immaginare, hanno tutti i loro modi di lavorare. Dopotutto, è improbabile che un kit per test di gravidanza abbia lo stesso meccanismo di rilevamento di un rilevatore di radon, Giusto?
Tutti i sensori chimici prendono di mira una sorta di analita, ma quello che succede una volta che l'analita è nel sensore è dove emergono le differenze. Per esempio, il sensore può legare l'analita (si pensi a un meccanismo di tipo lock-and-key, ma a livello molecolare). O, il sensore può essere impostato in modo che l'analita attraversi selettivamente un film sottile. Immagina che il film sia un gatekeeper chimico che lascia passare solo la molecola bersaglio e impedisce a tutto il resto di entrare. Questo tipo di sensore ha la caratteristica positiva di essere continuamente riutilizzabile. Una terza forma di sensore utilizza l'analita in una reazione chimica che genera un prodotto che crea il segnale leggibile [fonte:Consiglio nazionale delle ricerche]. Questi tre meccanismi molto ampi coprono il funzionamento della maggior parte dei sensori, ma ci sono ancora altri tipi.
Per esempio, esistono sensori elettrochimici a lettura diretta che utilizzano la diffusione di molecole cariche per cercare variazioni di corrente, conduttività o potenziale per vedere se è presente un analita target. I sensori di onde acustiche di superficie utilizzano onde acustiche inviate da un elettrodo all'altro attraverso una superficie. Il sensore è progettato in modo tale che se la velocità dell'onda cambia o se perde intensità, segnala la presenza di una molecola bersaglio legata alla superficie. Prendendo le misure di questi cambiamenti, il sensore potrebbe addirittura essere in grado di rilevare quantità di materiale presente [fonte:Consiglio Nazionale delle Ricerche].
Un'altra interessante innovazione nella tecnologia di rilevamento chimico si sposta verso il rilevamento delle proprietà intrinseche di diversi bersagli chimici invece di utilizzare un'interazione molecolare per guidare il rilevamento. I diversi legami nelle molecole hanno ciascuno modelli di vibrazione caratteristici che possono essere rilevati nella regione infrarossa dello spettro elettromagnetico. Combinando le sorgenti luminose, filtri e rilevatori su un singolo chip, gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology sono stati in grado di rilevare queste impronte molecolari per rilevare tutta una serie di molecole, dai contaminanti nell'acqua agli elettroliti nel sangue dei neonati [fonte:Bender].
Non importa come operano, i dispositivi di rilevamento chimico sono, senza dubbio, lavorando per te. La tua casa probabilmente ha almeno un rilevatore di gas radon, fumo o monossido di carbonio, a seconda delle leggi del tuo stato o paese. Molti sensori di radon funzionano assorbendo il radon stesso o rilevando i prodotti di decadimento radioattivo del gas letale. Monossido di carbonio, d'altra parte, non è un materiale radioattivo, quindi i rilevatori per questo gas funzionano in modo diverso. Uno dei meccanismi più comuni per questo sensore chimico è un riff sulla biologia. Questi rilevatori imitano il modo in cui il monossido di carbonio interagisce con l'emoglobina nel sangue per determinare la presenza del gas. Un altro rilevatore comune in casa è un rilevatore di fumo. Mentre alcuni usano materiali radioattivi per annusare il fumo, la maggior parte del rilevamento nei rilevatori di fumo proviene dal fisico, non chimico, fenomeno delle particelle di fumo che causano interferenze rilevate dal rilevatore.
I dispositivi di rilevamento chimico hanno anche un uso diffuso fuori casa. Uno dei luoghi principali in cui vedrai questi dispositivi in azione è la ricerca di biomolecole in ambienti medici. I sensori di biomolecole sono essenzialmente sensori chimici specializzati. Sebbene rilevino sostanze come gli ormoni, queste sostanze corporee sono tutte molecole. Dopotutto, questi sensori sono realizzati con molti degli stessi principi guida degli altri sensori chimici:selettività, sensibilità e portabilità.
Alcuni dei sensori di biomolecole più portatili di cui potresti essere a conoscenza sono associati alle misurazioni della fertilità:test di gravidanza e test di ovulazione. Entrambi questi sensori chimici rilevano la presenza di determinati ormoni nelle urine. In caso di test di gravidanza, il sensore cerca l'ormone gonadotropina corionica umana (hCG) nelle urine. Il bastoncino su cui la donna urina ha anticorpi rivestiti con una sostanza chimica che si lega all'hCG. Se la biomolecola è presente, il test è positivo [fonte:Parents Magazine]. Solitamente questi sensori chimici hanno una componente colorimetrica in modo che quando l'analita – in questo caso hCG – si lega, innesca un cambiamento di colore nel sensore, rendendo la lettura dei risultati abbastanza infallibile.
In ambito clinico, due dei metodi più comuni per il rilevamento di biomolecole a base chimica sono l'ELISA (saggio immunoassorbente legato all'enzima) e il Western blot. A seconda delle dimensioni e del tipo della biomolecola in questione e delle informazioni che desiderano sulla molecola, scienziati e clinici si rivolgono spesso a una di queste tecniche di rilevamento chimico per identificare diversi analiti in miscele di biomolecole [fonti:ThermoFisher Scientific, Mahmood e Yang].
Una testa di vetro contiene un sensore di interfaccia neurale sviluppato da DARPA, che legge i segnali dal cervello e stimola i neuroni a combattere la perdita di memoria. DARPA sta investendo nella ricerca sui sensori chimici. Stacey Rupolo/Chicago Tribune/TNS via Getty Images Un grande motore per le direzioni future del rilevamento chimico è l'esercito. Le agenzie di finanziamento come l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa degli Stati Uniti (DARPA) hanno grandi sogni su ciò che il rilevamento chimico potrebbe essere in grado di fare per le sue forze armate. Immagina di poter mettere un sensore sulla parte superiore di una tenda in una zona di guerra in grado di rilevare esplosivi o gas tossici a 4 miglia (6 chilometri) di distanza.
O immagina un sensore così piccolo, può essere incorporato nei tessuti. Quando il sensore rileva un agente tossico, il colore del tessuto cambia, allertare i soldati della presenza di tossine chimiche nell'aria. Che ne dici di un sensore in grado di avvisare i soldati dei loro livelli di disidratazione? Le implicazioni per tale tecnologia non sarebbero solo il sopravvento in battaglia, ma anche salvare potenzialmente migliaia di vite.
I prodotti chimici potrebbero anche essere collocati negli aeroporti per aiutare a fermare il terrorismo rilevando minuscole concentrazioni di esplosivi senza che noi dovessimo subire i numerosi problemi delle linee di sicurezza. Infatti, gli scienziati hanno già svelato un sensore in grado di rilevare rapidamente droghe ed esplosivi vicino a 30 metri di distanza con gli aeroporti in mente [fonte:Engineering360]. Questi sensori potrebbero essere installati agli ingressi degli aeroporti e in altri luoghi con grandi gruppi di persone. Alcuni tipi di dispositivi di rilevamento chimico possono persino essere collegati ai telefoni cellulari per scansionare aree più grandi mentre le forze dell'ordine si spostano [fonte:Hsu].
Certo, i sensori chimici non devono essere utilizzati solo per deviare attività nefaste. Rilevare contaminanti metallici nell'acqua e possibilmente sostanze chimiche tossiche nell'aria tramite sensori nei badge di sicurezza sono solo alcuni dei modi in cui i dispositivi di rilevamento chimico stanno cambiando il nostro mondo.
Sensori di nanoparticelle cuciti nel tessuto che potrebbero dirmi di più su di me o sull'aria che mi circonda? Questa è seriamente roba da fantascienza. Tranne che non lo è. Forse è l'esercito a portare avanti la ricerca su cose come questa, ma subito dopo che i soldati iniziano a usarlo, sarà un luogo comune per il resto di noi. Dà alla tecnologia indossabile un significato completamente nuovo.
