Los ingenieros químicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado una nueva forma de crear sensores químicos económicos para detectar explosivos, contaminantes industriales o incluso los marcadores químicos de la enfermedad en el aliento de un paciente.
Manos Mavrikakis y Nicholas L. Abbott, profesores de ingeniería química y biológica de UW-Madison, combinaron su experiencia en química computacional y cristales líquidos para convertir un sensor que Abbott construyó para detectar una imitación molecular del gas sarín mortal en una hoja de ruta para afinar similarsensores para marcar otros productos químicos peligrosos o importantes.
"Hemos establecido un nuevo marco", dice Mavrikakis.
Los investigadores describieron el material en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Su marco es un nuevo enfoque para optimizar los componentes, similares a los que se encuentran en los televisores de panel plano de un sensor a base de cristal líquido: cationes metálicos iones con carga positiva, aniones de sal, solventes y moléculas que se formancristales líquidos.
La investigación aprovechó la experiencia en química computacional de Mavrikakis y la experiencia experimental de Abbott, alternando entre el modelado químico cuántico y los experimentos de laboratorio para optimizar los componentes del sensor para una sustancia objetivo. Al ajustar cada uno de los componentes individuales, identificaron una configuración ideal querespondieron específicamente a la molécula que querían sentir, llamada analito. El mismo enfoque podría producir nuevos sensores para una gran cantidad de analitos diferentes.
En el futuro, por ejemplo, dichos materiales podrían usarse para indicar la frescura del pescado o la carne en función de la presencia de trazas de la molécula de cadaverina maloliente. Otra variación podría usarse para detectar enfermedades respiratorias basadas en el análisis demoléculas pequeñas como el óxido nítrico en el aliento.
Hacer materiales tan específicos y sensibles en el laboratorio no es tarea fácil. Para sensores complicados que involucran múltiples componentes, mezclar y combinar productos químicos con la esperanza de encontrar la combinación perfecta es laborioso e ineficiente.
En lugar de años de prueba y error, los investigadores recurrieron a las simulaciones por computadora antes de intentar experimentos en el laboratorio.
"Esta es de hecho la primera vez que la química computacional con la mecánica cuántica se ha utilizado para crear una forma coherente de pensar para reducir las posibles soluciones para un problema explosivamente complicado", dice Mavrikakis, cuyo trabajo fue apoyado por la National Science Foundationy la Oficina de Investigación del Ejército.
Y después de identificar candidatos prometedores, los investigadores utilizaron mediciones del mundo real para refinar y mejorar aún más sus modelos computacionales.
El material del sensor consiste en una película delgada de sal metálica, con cristales líquidos anclados a la superficie todos apuntando en la misma dirección. Los investigadores diseñaron moléculas específicas de cristal líquido y cationes metálicos para que pequeñas cantidades de analito interrumpieran las interacciones decristales líquidos con la superficie, y desarme la disposición ordenada. El cambio en el cristal líquido sería un indicador visible de la presencia del analito.
A diferencia de las costosas máquinas de detección de explosivos en aeropuertos que dependen de espectrometría de masas complicada o equipos de cromatografía líquida de alto rendimiento, estos sensores de cristal líquido podrían ser portátiles, portátiles y económicos.
Los investigadores planean explorar nuevas combinaciones para analitos adicionales y desarrollar nuevas moléculas cristalinas líquidas, en combinación con otras sales y solventes metálicos, para hacer sensores aún más sensibles y selectivos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Sam Million-Weaver. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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