Pierwszy elektroniczny nos zdolny do wykrywania związków chiralnych
W chemii cząsteczki, których nie da się nałożyć na ich lustrzane odbicie, są określane mianem „chiralnych”. Każde lustrzane odbicie nazywane jest enancjomerem, a gdy obecne są oba, cząsteczkę nazywa się stereoizomerem. Podczas gdy chiralne cząsteczki są uważane za główny budulec organizmów żywych, każdy enancjomer może inaczej oddziaływać na takie organizmy, mieć na nie pozytywny wpływ lub działać jak toksyna. Jest to ważne, ponieważ cząsteczki chiralne są coraz częściej wykorzystywane w produkcji żywności, farmaceutyków, perfum, kosmetyków i agrochemikaliów. „25 % wszystkich pestycydów powstaje ze związków chiralnych, których enancjomery zachowują się znacząco odmiennie od siebie. Taki nieprzewidywalny wpływ na systemy biologiczne sprawia, że chiralne zanieczyszczenia stanowią coraz powszechniejszy problem środowiskowy”, mówi koordynator projektu Roberto Paolesse z Uniwersytetu Tor Vergata w Rzymie, będącego gospodarzem projektu. Ponieważ standardowa analiza tych związków pestycydów zwykle nie uwzględnia chiralności, w ramach projektu INITIO opracowano czujniki chemiczne zdolne do jej wykrywania. Co ważne, w przeciwieństwie do obecnie dostępnych technik polegających na badaniach laboratoryjnych, innowacja opracowana przez zespół INITIO może to zrobić w czasie rzeczywistym i in situ.
Czujniki chemiczne
Rozwiązanie INITIO powstało w odpowiedzi na zapotrzebowanie MŚP z branży rolniczej na urządzenia zdolne do efektywnego monitorowania pestycydów na polu. Opracowane urządzenie wykorzystuje połączone know-how uzyskane z prac nad rozwojem czujników chemicznych. Czujniki chemiczne łączą w sobie dwa podstawowe elementy: receptor (materiał sensoryczny) i przetwornik sygnału (element elektroniczny). Kiedy receptor wchodzi w interakcję z celem, jego właściwości ulegają zmianie, co przetwornik rejestruje i przekłada na czytelny sygnał. Jednak pojedyncze czujniki nie są idealnie dostosowane do wykrywania chiralności, ponieważ zamiast perfekcyjnie wytwarzać sygnał tylko dla jednego z enancjomerów, zwykle wytwarzają sygnał dla obu, co uniemożliwia ich rozróżnienie. Aby obejść ten problem, zespół projektu INITIO stworzył matrycę czujników o słabej selektywności pod kątem enancjomerów, naśladującą naturalne powonienie. „Według naszej najlepszej wiedzy jest to pierwszy «enancjoselektywny elektroniczny nos» do rozpoznawania zarówno różnych substancji, jak i ich chiralnej natury”, dodaje Paolesse.
Próba czasu
Scharakteryzowano różne receptory, a następnie przetestowano je z różnymi przetwornikami, aby znaleźć te, które najlepiej rozróżniają pary enancjomerów. Aby to osiągnąć, zespół połączył chiralne struktury nieorganiczne, takie jak chiralne nanohelisy, z receptorami organicznymi, takimi jak porfiryny lub hemikukurbituryle. Dodatkowo opracowano prostsze podejście do wytwarzania chiralnych warstw przy użyciu metod supramolekularnych, w których chiralne receptory spontanicznie łączą się z receptorami niechiralnymi, tworząc stałe warstwy zdolne do rozpoznawania różnych enancjomerów docelowych analitów. Sama matryca czujników, oparta na mikrowagach kwarcowych, została przetestowana pod kątem rozpoznawania właściwości chiralnych w gazie. „Ulepszyliśmy obecną wersję elektronicznego nosa opracowanego na Uniwersytecie Tor Vergata w Rzymie, wbudowując do 12 zintegrowanych czujników, system mikroprzepływowy do dostarczania próbek, płytę elektroniczną do pozyskiwania danych i zaktualizowane oprogramowanie sterowane algorytmem, zdolne do rozpoznawania chiralnego charakteru związków. W warunkach laboratoryjnych nasza matryca czujników z powodzeniem rozróżniała modelowe anality z różnych klas związków chiralnych”, wyjaśnia Paolesse.
Monitorowanie w terenie w celu kontrolowania środowiska
Zanieczyszczenia chiralne stanowią coraz poważniejszy problem ekologiczny, o czym świadczy zanieczyszczenie Morza Bałtyckiego pestycydami chloroorganicznymi. Narzędzie INITIO do rozpoznawania i analizy związków chiralnych obejmuje sposoby monitorowania ich interakcji ze środowiskiem w celu dokładnej oceny ryzyka. Według Paolesse kolejnym krokiem będzie zaprezentowanie działania urządzenia w terenie z szerokim zakresem analitów oraz dla par enancjomerów w cieczy, co otworzy możliwość monitorowania środowisk wodnych.
Słowa kluczowe
INITIO, związek chiralny, chemia, enancjomer, zanieczyszczenie, czujniki, rolniczy, pestycydy