Eine neue, hochempfindliche chemische Sensor verwendet Protein-Nanodrähte

Der Sensor verwendet elektrische Ladungsleitende Nanodrähte Protein aus dem Bakterium Geobacter abgeleitet Biomaterialien für elektrische Geräte bereitzustellen. Vor mehr als 30 Jahren, Senior-Autor und Mikrobiologe Derek Lovley entdeckt Geobacter in Flussschlamm. Die Mikroben wachsen haarähnliches Protein Filamente, die Arbeit als nanoskalige „Drähte“, um Übertragungskosten für ihre Ernährung und mit anderen Bakterien zu kommunizieren.

Erstautor und Biomedizinische Technik Doktorand Alexander Smith, mit seinem Berater Juni Yao und Lovley, sagt sie diesen ersten Sensor zur Messung des Ammoniak entwickelt, weil das Gas wichtig für die Landwirtschaft, die Umwelt und die Biomedizin. Zum Beispiel kann bei Menschen, Ammoniak auf dem Atem Krankheit signalisieren, während in der Geflügelhaltung, muss das Gas genau überwacht und für den Vogel Gesundheit und Komfort und zu vermeiden Futter Ungleichgewichte und Produktionsverluste gesteuert werden.

Yao sagt: „Dieser Sensor ermöglicht hochgenaue Erfassung zu tun,. Es ist viel besser als die bisherigen elektronischen Sensoren“ Smith fügt hinzu: „Jedes Mal, wenn ich ein neues Experiment zu tun, bin ich angenehm überrascht. Wir nicht als gut zu funktionieren erwartet hatte, wie sie haben. Ich denke, dass sie wirklich eine echte positive Auswirkungen auf die Welt haben könnte.“

Smith sagt, bestehende elektronische Sensoren oft entweder begrenzt oder niedrige Empfindlichkeit haben, und sie sind anfällig für Störungen von anderen Gasen. Zusätzlich zu überlegen Funktion und niedrig Kosten, fügt er hinzu, „unsere Sensoren sind biologisch abbaubar, so dass sie keinen elektronischen Abfall produzieren, und sie sind, ohne dass giftige Chemikalien nachhaltig unter Verwendung von Bakterien nachwachsende Rohstoffe hergestellt werden.“

Smith führte die Experimente in den letzten 18 Monaten im Rahmen seines Ph.D. Arbeit. Es wurde aus Lovley früheren Studien bekannt, dass die Protein-Nanodrähte Leitfähigkeit in Reaktion auf pH verändert wird, die Säure oder Base Level- der Lösung rund um die Protein-Nanodrähte. Dies bewegt die Forscher die Idee zu testen, dass sie stark reagieren könnte Bindung für Biosensorik Molekül. „Wenn man sie zu einem chemischen aussetzen, die Eigenschaften ändern, und Sie können die Antwort messen,“ Smith Noten.

Als er die Nanodrähte Ammoniak ausgesetzt, „die Antwort war wirklich spürbar und signifikant“, sagt Smith. „Schon früh fanden wir konnten wir stimmen die Sensoren in einer Weise, dass zeigt diese signifikante Reaktion. Sie sind wirklich empfindlich gegenüber Ammoniak und viel weniger zu anderen Verbindungen, so können die Sensoren sehr spezifisch sein.“

Lovley fügt hinzu, dass die „sehr stabil“ Nanodrähte eine lange Zeit, um die Sensorfunktionen konsequent und robust nach Monaten der Nutzung dauern, und die Arbeit so gut „es ist bemerkenswert.“

Yao sagt: „Diese Protein-Nanodrähte sind immer wieder erstaunlich ich. Diese neue Anwendung in einem ganz anderen Bereich ist, als wir in gearbeitet hatten.“ Bisher hat das Team für die biologische Computing unter Verwendung von Protein-Nanodrähte zu ernten Energie von Luftfeuchtigkeit und deren Anwendung als Memristoren berichtet.

Smith, der sich als „unternehmerische“, gewann den ersten Platz in UMass Amherst 2018 Innovation Challenge für das Startgeschäftsplan für das Unternehmen, das er mit Yao und Lovley, E-Biologics gebildet. Die Forscher haben mit einer Patentanmeldung, Fundraising, die Geschäftsentwicklung und die Forschungs- und Entwicklungsvorhaben verfolgt.

Lovley sagt: „Diese Arbeit ist die erste Proof-of-Concept für den Nanodraht-Sensor. Sobald wir im Labor zurück, wir Sensoren für andere Verbindungen entwickeln werden. Wir sind auf Tuning arbeiten sie für eine Reihe von anderen Verbindungen.“

Unterstützung für die Arbeit kam als Career Grant und Graduiertenstipendium der National Science Foundation, Büro des UMass Amherst von Technologiekommerzialisierung und Ventures und das Zentrum Campus für Hierarchical Herstellung, eine NSF-gefördert Nanoscale Science and Engineering Centre.