Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem: wetenschappers onthullen sensor die ‘spiegelbeeldmoleculen’ van elkaar kan onderscheiden

Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. Foto HBU

Israëlische wetenschappers hebben een gassensor ontwikkeld die ‘spiegelbeeld’-moleculen in de lucht kan onderscheiden. Deze doorbraak kan een revolutie teweegbrengen in medische diagnostiek, kwaliteitscontrole van voedsel en dranken, milieubewaking en farmaceutische producten, zo maakte de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem bekend.

Door subtiele structurele verschillen in vluchtige stoffen te detecteren, kunnen de sensoren niet-invasieve ademtesten uitvoeren voor ziekten zoals longkanker of diabetes, veranderingen in de ziekte in de loop van de tijd volgen en de consistentie in smaak en aroma van voedsel en geuren garanderen. Ze kunnen ook helpen bij het identificeren van bederf of besmetting voordat producten de consument bereiken.

Spiegelbeeldmoleculen, ook wel chirale moleculen genoemd, zijn moleculenparen met dezelfde chemische formule, maar gerangschikt als linker- en rechterhanden. Ze zijn identiek van samenstelling, maar niet overlappend. Hoewel ze er bijna identiek uitzien, kunnen de twee vormen zeer verschillende effecten hebben, zoals het produceren van verschillende geuren, smaken of biologische reacties.

De studie, die het ontwerp, de tests en de potentiële toepassingen van de sensoren beschrijft, werd gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Chem. Eur. J.

De sensor maakt gebruik van koolstofnanobuisjes die gecoat zijn met speciaal ontworpen suikerreceptoren. Deze fungeren als een moleculair slot en sleutel om specifieke chemicaliën in de lucht te binden. "Door een suikerlaagje toe te voegen, hebben we een precieze chemische architectuur rond de sensor gecreëerd die zelfs kan interacteren met zeer zwak bindende geurmoleculen", aldus prof. Shlomo Yitzchaik, een van de begeleiders van het onderzoek.

Het onderzoeksteam, onder leiding van Ariel Shitrit en Yonatan Sukhran, onder leiding van Yitzchaik en prof. Mattan Hurevich, toonde aan dat de sensoren duidelijk onderscheid konden maken tussen spiegelbeeldvormen van limoneen en carvon, twee veelvoorkomende geurmoleculen, terwijl ze geen reactie vertoonden op vergelijkbare vormen van α-pineen. Opmerkelijk genoeg detecteerden de sensoren het (–)-limoneenmolecuul al bij concentraties van slechts 1,5 ppm, ongeveer tien keer gevoeliger dan veel vergelijkbare methoden.

De effectiviteit van de sensoren is te danken aan de interactie tussen de met suiker omhulde nanotubes en de in de lucht zwevende moleculen. Door elektrische metingen te combineren met computersimulaties in samenwerking met de Technische Universiteit Dresden en de Friedrich Schiller Universiteit Jena, ontdekten de onderzoekers dat elk moleculair spiegelbeeld zich net iets anders aan de receptor bindt. Deze kleine verschillen veranderen de elektronenbeweging in de nanotubes, wat leidt tot meetbare veranderingen in het elektrische signaal.

"Inzicht in hoe de moleculaire structuur de sensorprestaties beïnvloedt, geeft ons een blauwdruk voor het ontwerpen van betere kunstmatige geurreceptoren", aldus Hurevich. Door verschillende receptorontwerpen te testen, identificeerde het team chemische eigenschappen die de selectiviteit verbeteren, wat de weg vrijmaakte voor nauwkeurigere en veelzijdigere sensoren.

Het onderzoek maakt deel uit van het Europese SMELLODI-consortium, dat de verbanden tussen lichaamsgeur, geurperceptie en fysiologische en emotionele toestanden onderzoekt. Niet-invasieve analyse van vluchtige organische stoffen, inclusief spiegelbeeldmoleculen, is een belangrijk doel van het project, met potentiële toepassingen in gezondheidsmonitoring, milieuveiligheid en de industrie.

Het transformeren van suikermoleculen, die normaal gesproken oplossen in water, tot stabiele, functionele gassensoren vormde een aanzienlijke chemische en technische uitdaging. Het team overwon deze uitdaging door een tweedelig systeem te creëren: instelbare suikerreceptoren die chemisch verbonden zijn met koolstofnanomaterialen. Het ontwerp kan worden verfijnd door het suikerframe of de chemische groepen die eraan verbonden zijn aan te passen, waardoor detectiemogelijkheden op maat mogelijk worden.

Toepassingen in milieumonitoring en farmaceutische industrie

Naast de gezondheidszorg en de voedingsindustrie kunnen de sensoren ook worden toegepast in milieumonitoring en de farmaceutische industrie. Ze kunnen luchtverontreinigende stoffen of chemische lekken detecteren op extreem lage niveaus, wat de veiligheid voor zowel mens als ecosysteem verbetert. In de farmaceutische industrie en bij chemisch onderzoek kunnen de sensoren de zuiverheid en samenstelling van chirale moleculen verifiëren, die vaak verschillende biologische effecten hebben afhankelijk van hun spiegelbeeld, wat bijdraagt ​​aan de veiligheid en effectiviteit van producten.

Met het oog op de toekomst denken de onderzoekers dat computerhulpmiddelen, waaronder geavanceerde natuurkundige simulaties en machinaal leren, de ontwikkeling van nieuwe receptorontwerpen kunnen versnellen en zo het bereik van detecteerbare moleculen in de lucht en hun spiegelbeeldvormen kunnen vergroten.

"Ons werk toont aan dat kleine veranderingen in de moleculaire structuur betrouwbaar kunnen worden opgepikt met behulp van met suiker omhulde nanotubes", aldus Shitrit. "Dit opent de deur naar elektronische sensorsystemen die voorheen onmogelijk werden geacht."