La nanotecnologia sta facendo avanzare strumenti paragonati al "tricorder" di Star Trek che eseguono analisi chimiche sul posto per una vasta gamma di applicazioni tra cui test medici, rilevamento di esplosivi e sicurezza alimentare.

I ricercatori hanno scoperto che quando la carta utilizzata per raccogliere un campione veniva rivestita con nanotubi di carbonio, la tensione richiesta era 1, 000 volte ridotto, il segnale è stato affinato e l'apparecchiatura è stata in grado di catturare molecole molto più delicate.

Un team di ricercatori della Purdue University e dell'Indian Institute of Technology Madras ha eseguito lo studio, che è dettagliato in un "documento molto importante" designato dalla rivista Angewandte Chemie .

"Questo è un grande passo avanti nei nostri sforzi per creare miniature, spettrometri di massa portatili per il campo, " ha detto R. Graham Cooks, Henry B. Hass Distinguished Professor di Chimica di Purdue. "La drastica diminuzione della potenza richiesta significa una riduzione delle dimensioni della batteria e dei costi per eseguire gli esperimenti. L'intero sistema sta diventando più leggero ed economico, che lo porta molto più vicino all'essere praticabile per facile, uso diffuso."

Cuochi e Thalappil Pradeep, un professore di chimica all'Indian Institute of Technology Madras, Chennai, ha condotto la ricerca.

"Portare la scienza alla gente è la cosa più importante, " Pradeep ha detto. "La spettrometria di massa è uno strumento fantastico, ma non è ancora sul tavolo di ogni medico o nelle tasche degli ispettori agricoli e delle guardie giurate. Sono state sviluppate grandi tecniche, ma dobbiamo affinarli in strumenti che siano convenienti, possono essere fabbricati in modo efficiente e facilmente utilizzati."

Lo studio finanziato dalla National Science Foundation ha utilizzato una tecnica di analisi sviluppata da Cooks e dai suoi colleghi chiamata ionizzazione PaperSpray™. La tecnica si basa su un campione ottenuto strofinando un oggetto o ponendo una goccia di liquido su carta bagnata con un solvente per catturare i residui dalla superficie dell'oggetto. Un piccolo triangolo viene quindi tagliato dalla carta e posizionato su un apposito attacco dello spettrometro di massa dove viene applicata la tensione. La tensione crea un campo elettrico che trasforma la miscela di solvente e residui in goccioline fini contenenti molecole ionizzate che si staccano e vengono aspirate nello spettrometro di massa per l'analisi. Lo spettrometro di massa identifica quindi le molecole ionizzate del campione in base alla loro massa.

La tecnica dipende da un forte campo elettrico e i nanotubi agiscono come minuscole antenne che creano un forte campo elettrico da una tensione molto piccola. Un volt su pochi nanometri crea un campo elettrico equivalente a 10 milioni di volt su un centimetro, Pradeep ha detto.

"Il trucco era isolare questi piccoli, antenne su scala nanometrica e impediscono loro di raggrupparsi insieme perché i singoli nanotubi devono sporgere dalla carta, " ha detto. "I nanotubi di carbonio funzionano bene e possono essere dispersi in acqua e applicati su substrati idonei".

La Nano Mission del governo indiano ha sostenuto la ricerca presso l'Indian Institute of Technology Madras e gli studenti laureati Rahul Narayanan e Depanjan Sarkar hanno eseguito gli esperimenti.

Oltre a ridurre la dimensione della batteria richiesta e il costo energetico per eseguire i test, la nuova tecnica ha anche semplificato l'analisi eliminando quasi il rumore di fondo, ha detto i cuochi.

"A queste condizioni, l'analisi è quasi priva di rumore e un nitido, viene consegnato un segnale chiaro del campione, " ha detto. "Non sappiamo perché questo è - perché le molecole di fondo che ci circondano nell'aria o dall'interno dell'apparecchiatura non vengono ionizzate ed entrano nell'analisi. è sconcertante, ma piacevole sorpresa."

La tensione ridotta richiesta rende inoltre il metodo più delicato rispetto alle tecniche di ionizzazione PaperSpray™ standard.

"È un metodo molto morbido, " ha detto Cooks. "Le molecole ei complessi fragili sono in grado di tenere insieme qui quando altrimenti non lo farebbero. Questo potrebbe portare ad altre potenziali applicazioni".

Il team prevede di studiare i meccanismi alla base della riduzione del rumore di fondo e le potenziali applicazioni del metodo delicato, ma l'aspetto più promettente della nuova tecnica è il suo potenziale per miniaturizzare il sistema di spettrometria di massa, ha detto i cuochi.

Cooks è un pioniere della spettrometria di massa e ha lavorato per anni per portare gli spettrometri di massa dalle dimensioni di un'auto a quelle di una scatola da scarpe.

All'inizio della sua carriera ha sviluppato tecniche di ionizzazione ambientale che hanno permesso di eseguire test in aria o direttamente su una superficie nel suo ambiente naturale, rispetto alle tecniche di spettrometria di massa convenzionali che richiedono separazioni chimiche, manipolazioni di campioni e contenimento in camera a vuoto per ionizzazione e analisi. La ionizzazione ambientale ha aperto la strada a velocità, dispositivi di spettrometria di massa più portatili che potrebbero essere utilizzati al di fuori di un laboratorio.

Cooks e il suo collaboratore Zheng Ouyang, Purdue professore associato di ingegneria biomedica e ingegneria elettrica e informatica, hanno creato diverse generazioni di spettrometri di massa in miniatura. Hanno recentemente pubblicato articoli sull'ultima generazione, il "Mini 12, " nel diario Chimica analitica .

Cooks e il suo team hanno messo a punto gli strumenti da utilizzare nell'imaging molecolare per la diagnostica e la chirurgia del cancro; monitoraggio terapeutico dei farmaci; test per biomarcatori nelle urine; e l'identificazione di patogeni di origine alimentare, batteri, pesticidi e residui di esplosivi.

Cooks è associato a diversi centri di ricerca Purdue, compreso il Bindley Bioscience Center, il Purdue Center for Cancer Research e il Center for Analytical Instrumentation Development.