Il naso di un organismo vivente è essenzialmente un rilevatore di molecole biologiche che invia segnali neurologici al cervello, che poi decodifica un particolare profumo. I nasi umani, con sei milioni di recettori olfattivi, possono distinguere più di un trilione di profumi, mentre alcuni nasi canini possiedono fino a 300 milioni di recettori, che forniscono una sensibilità migliorata in parti per trilione.
I "nasi elettronici" sono dispositivi elettronici in grado di "annusare" e identificare odori e sapori vaporizzati. Solitamente collegati a una quantità significativa di apparecchiature di laboratorio, questi nasi sintetici non sono facilmente trasportabili, motivando i ricercatori a ideare nuovi sensori trasportabili in grado di identificare un'ampia gamma di sostanze chimiche.
I ricercatori della Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh hanno ampliato questo potenziale progettando un sistema su piccola scala che forma modelli tridimensionali, che fungono da "impronte digitali" chimiche che consentono di identificare le sostanze chimiche nelle soluzioni. La ricercatrice principale è Anna C. Balazs, eminente professoressa di ingegneria chimica, con l'autore principale e postdoc Moslem Moradi e il postdoc Oleg E. Shklyaev. Il lavoro appare in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
"I catalizzatori sono altamente selettivi; solo alcuni reagenti possono innescare una particolare reazione catalitica. Grazie a questa selettività, i catalizzatori in una soluzione possono rivelare l'identità dei reagenti. Se i reagenti giusti vengono aggiunti al fluido, la reazione risultante genera la reazione spontanea flusso del fluido; il flusso, a sua volta, può piegare e modellare oggetti flessibili immersi nella soluzione," ha spiegato Balazs.
"Se i perni flessibili sono fissati alla base di una camera piena di fluido e rivestiti con enzimi specifici, i reagenti aggiunti costringeranno i perni a piegarsi in direzioni diverse e a formare modelli visivi distinti.
"Ciò che è sorprendente è che ciascun reagente, o combinazione di reagenti, produce uno schema separato. In effetti, le sostanze chimiche lasciano un'"impronta digitale" distintiva, che ci consente di identificare la composizione chimica della soluzione."
Nella simulazione, Moradi ha costruito una camera di quattro millimetri quadrati e un millimetro di altezza, con 81 montanti flessibili. Solo pochi pali in punti particolari erano rivestiti con uno dei tre tipi di enzimi.
"Se esaminiamo reazioni specifiche, possiamo discernere le forme che contribuiscono al modello generale. Di conseguenza, possiamo controllare i modelli e ottimizzarne l'aspetto." ha detto Moradi. "Inoltre, se i reagenti vengono aggiunti uno alla volta, possiamo formare un caleidoscopio chimico in cui uno schema si trasforma dolcemente in un altro quando i reagenti precedenti vengono consumati dalla reazione e un nuovo reagente viene aggiunto alla soluzione."
Shklyaev ha aggiunto che questi risultati sono notevoli perché i pali sono simili ai nodi elettronici. "I pali sono come interruttori on-off e si muovono in una direzione specifica regolata dal flusso", ha detto, "e i modelli rivelano le impronte chimiche. La chimica avviene su scala nanometrica e osserviamo modelli visibili su scala millimetrica formato dal palo, che può riflettere la luce e quindi potrebbe essere rilevato ad occhio nudo."
Allo stesso tempo, i risultati evidenziano un mezzo per dirigere il flusso nella camera senza costruire nuove pareti per ogni applicazione, ampliando potenzialmente l'utilità di un determinato dispositivo fluidico.
"I nostri test hanno utilizzato tre diversi enzimi che ci consentono di generare molteplici modelli diversi in risposta a sole tre sostanze chimiche diverse. Poiché ciascuno degli 81 perni potrebbe essere potenzialmente rivestito con un enzima diverso, il numero totale di modelli possibili aumenta esponenzialmente con il numero di i post. A livello concettuale, i modelli sono un analogo delle risposte elettrochimiche che il cervello produce per identificare odori o profumi."
Balazs ha affermato:"Poiché ciascun reagente lascia un'impronta digitale specifica, possiamo formare un database di modelli. Possiamo utilizzare questo database per rilevare una sostanza chimica pericolosa o una tossina trasportata dall'acqua confrontando il modello generato con altri nel database per identificare una corrispondenza. Il nostro sistema getta le basi per un kit di strumenti semplice e portatile che consente di aggiungere la sostanza chimica in una camera e il modello visivo risultante identifica la sostanza. È un naso chimico bello ma semplice."
Ulteriori informazioni: Moslem Moradi et al, Integrazione di chimica, flusso dei fluidi e meccanica per favorire la formazione spontanea di modelli tridimensionali (3D) in microstrutture ancorate, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2319777121
Fornito dall'Università di Pittsburgh
