Вдохи и выдохи - это то, что наши тела делают, даже не задумываясь об этом. На самом деле, мы редко даже задумываемся об окружающем нас воздухе, пока его качество не ухудшится - может быть, из-за дыма близлежащего костра или смога, окутывающего наши многолюдные города.
Но могут быть опасные газы, которые не всегда видны. Угарный газ и радон - два примера смертельных загрязнителей воздуха, которые совершенно невидимы. Мы не осознаем, что отравлены воздухом, которым дышим, пока не становится слишком поздно. К счастью, эти газы не так распространены, и с помощью небольшой технологии химического обнаружения мы можем позволить детекторам угарного газа и радона беспокоить нас.
Химические датчики полезны не только для обнаружения смертоносных газов. Эти устройства можно найти в наших домах, больницах и в армии. Существует множество различных типов датчиков, которые обнаруживают различные молекулы-мишени (также известные каканалиты). Хотя датчики работают по-разному, суть в том, что между аналитом и чем-то в датчике происходит химическое взаимодействие, и устройство производит измеримый сигнал - звуковой сигнал или изменение цвета, чтобы предупредить нас о присутствии целевой молекулы.
Несмотря на различия в конструкции датчиков, есть несколько основных принципов, которые делают любой датчик хорошим. Идеальный - недорогой, надежный и портативный. Самое главное, любой химический датчик имеет две важные характеристики: селективность и чувствительность. В мире существует более 10 миллиардов молекулярных веществ, поэтому выборочное обнаружение одного вещества - немалый подвиг. Чувствительность также невероятно важна для обнаружения химических веществ на значительном расстоянии или для обнаружения очень низких концентраций целевой молекулы. Другими важными характеристиками датчика являются время отклика, размер упаковки и предел обнаружения - наименьшее количество вещества, которое может быть обнаружено.
Так чувствительно! Как сенсоры обнаруживают молекулы-мишени
Ученые и инженеры разработали множество датчиков для разных целей, и, как вы понимаете, все они работают по-своему. В конце концов, у набора для тестирования на беременность вряд ли будет такой же механизм обнаружения, как у детектора радона, верно?
Все химические сенсоры нацелены на какой-то аналит, но то, что происходит, когда аналит оказывается в сенсоре, и проявляется разница. Например, датчик может связывать аналит (представьте себе механизм типа «замок-ключ», но на молекулярном уровне). Или датчик можно настроить так, чтобы аналит избирательно проходил через тонкую пленку. Представьте, что пленка - это химический привратник, который пропускает только молекулу-мишень и не дает проникнуть всему остальному. Этот тип датчика имеет положительную особенность в том, что его можно постоянно использовать повторно. Датчик третьего типа использует аналит в химической реакции, в результате которой образуется продукт, создающий читаемый сигнал. Эти три очень широких механизма охватывают работу большинства датчиков, но есть и другие типы.
Например, существуют электрохимические датчики прямого считывания, которые используют диффузию заряженных молекул для отслеживания изменений тока, проводимости или потенциала, чтобы увидеть, присутствует ли целевой аналит. Датчики поверхностных акустических волн используют акустические волны, передаваемые от одного электрода к другому через поверхность. Датчик сконструирован таким образом, что при изменении скорости волны или ее ослаблении он сигнализирует о наличии молекулы-мишени, связанной с поверхностью. Проводя измерения этих изменений, датчик может даже определить количество присутствующего материала.
Еще одно интересное новшество в технологии химического обнаружения направлено на обнаружение свойств, присущих различным химическим мишеням, вместо использования молекулярного взаимодействия для обнаружения. Каждая из различных связей в молекулах имеет характерные образцы колебаний, которые можно обнаружить в инфракрасной области электромагнитного спектра. Объединив источники света, фильтры и детекторы в один чип, ученые из Массачусетского технологического института смогли обнаружить эти молекулярные отпечатки пальцев, чтобы ощутить целый ряд молекул, от загрязнителей в воде до электролитов в крови новорожденных.
Как помогают химические сенсоры
Независимо от того, как они работают, химические датчики, без сомнения, работают на вас. В вашем доме, вероятно, есть хотя бы один детектор радона, дыма или угарного газа, в зависимости от законов вашего штата или страны. Многие датчики радона работают, поглощая сам радон или обнаруживая продукты радиоактивного распада смертоносного газа. Угарный газ, с другой стороны, не является радиоактивным материалом, поэтому детекторы для этого газа работают по-другому. Один из наиболее распространенных механизмов для этого химического сенсора - отсылка к биологии. Эти детекторы имитируют взаимодействие угарного газа с гемоглобином в крови, чтобы определить присутствие газа. Еще одним распространенным датчиком в доме является датчик дыма. В то время как некоторые используют радиоактивные материалы, чтобы помочь вынюхивать дым, большая часть срабатывания детекторов дыма исходит из физического, а не химического явления частиц дыма, вызывающих помехи, которые обнаруживаются детектором.
Химические датчики также широко используются вне дома. Одним из основных мест, где вы увидите эти устройства в действии, является поиск биомолекул в медицинских учреждениях. Биомолекулярные датчики - это, по сути, специализированные химические датчики. Хотя они обнаруживают такие вещества, как гормоны, все эти телесные вещества представляют собой молекулы. В конце концов, эти датчики сделаны по многим из тех же руководящих принципов, что и другие химические датчики - селективность, чувствительность и портативность.
Некоторые из самых портативных биомолекулярных датчиков, о которых вы, возможно, знаете, связаны с измерением фертильности: тестами на беременность и тестами на овуляцию. Оба этих химических датчика обнаруживают присутствие определенных гормонов в моче. В случае тестов на беременность датчик ищет гормон хорионический гонадотропин человека (ХГЧ) в моче. Палочка, на которую женщина мочится, имеет антитела, покрытые химическим веществом, которое связывается с ХГЧ. Если биомолекула присутствует, тест дает положительный результат. Обычно эти химические датчики имеют колориметрический компонент, так что когда аналит - в данном случае ХГЧ - связывается, он вызывает изменение цвета в датчике, что делает считывание результатов довольно надежным.
В клинических условиях двумя наиболее распространенными методами химического обнаружения биомолекул являются ИФА (иммуноферментный анализ) и вестерн-блоттинг. В зависимости от размера и типа рассматриваемой биомолекулы и информации, которую они хотят получить о молекуле, ученые и клиницисты часто обращаются к одному из этих методов химического обнаружения для идентификации различных аналитов в смесях биомолекул.
Научная фантастика становится реальностью
Большой движущей силой будущих направлений химического зондирования являются военные. Финансирующие агентства, такие как Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), возлагают большие надежды на то, что химическое зондирование может сделать для их вооруженных сил. Представьте, что вы можете разместить датчик на верхней части палатки в зоне боевых действий, который может обнаруживать взрывчатые вещества или токсичные газы на расстоянии 6 километров.
Или представьте датчик, настолько крошечный, что его можно встроить в ткань. Когда датчик обнаруживает отравляющее вещество, цвет ткани меняется, предупреждая солдат о наличии в воздухе химических токсинов. А как насчет датчика, который мог бы предупреждать солдат об уровне их обезвоживания? Последствия для такой технологии будут не только преимуществом в бою, но и потенциально спасут тысячи жизней.
Химические вещества также могут быть размещены в аэропортах, чтобы помочь остановить терроризм, обнаружив мельчайшие концентрации взрывчатых веществ, и нам не придется подвергаться обширным хлопотам линий безопасности. Фактически, ученые уже представили датчик, который может быстро обнаруживать наркотики и взрывчатые вещества на расстоянии до 100 футов (30 метров), имея в виду аэропорты. Эти датчики могут быть установлены на входах в аэропорты и других местах с большим скоплением людей. Некоторые типы химических сенсоров можно даже прикрепить к мобильным телефонам, чтобы сканировать большие площади, пока сотрудники правоохранительных органов передвигаются.
Конечно, химические датчики нужно использовать не только для предотвращения гнусной деятельности. Обнаружение примесей металлов в воде и, возможно, токсичных химических веществ в воздухе с помощью датчиков на значках безопасности - это лишь некоторые из способов, с помощью которых химические датчики меняют наш мир.
Примечание автора. Как работают химические датчики
Сенсоры наночастиц, вшитые в ткань, которые могли бы рассказать мне больше о себе или о воздухе вокруг меня? Это серьезно что-то из научной фантастики. Но это не так. Возможно, именно военные продвигают исследования в таких вещах, но вскоре после того, как солдаты начнут его использовать, для остальных это станет обычным делом. Придает носимым технологиям совершенно новый смысл.