Wykryje miligram narkotyku w kieszeni, dopalacze i raka płuc. A po godzinach rozróżni kawy pochodzące z wielu stron świata i, co zaskakujące, bimber od whisky. Czy to superpies policyjny? Nie, to nanochemodetektor, który wymyślił Prof. Jerzy Langer z Pracowni Fizykochemii Materiałów i Nanotechnologii UAM.
Pierwszy był nanobiodetektor. Prof. Jerzy J. Langer z zespołem Pracowni Fizykochemii Materiałów i Nanotechnologii wymyślił i skonstruował miniaturowy czujnik, który wykrywa mikroorganizmy, w tym groźnego wąglika; mało tego - potrafi w krótkim czasie zidentyfikować znacznie szersze spektrum bakterii, ich przetrwalników i wirusów niż standardowe techniki detekcyjne. Tradycyjnie bakterie można wykryć namnażając je, ale metoda ta zawodzi w przypadku np. niektórych szczepów cholery. Jednak nanobiodetektor świetnie radzi sobie z tym ograniczeniem.
Profesor pokazuje maleńką konstrukcję: - Proszę spojrzeć, tutaj jest czujnik, a tam dwie elektrody. W środku mamy szczelinę rzędu kilku mikrometrów, znajduje się w niej siateczka włókienek polimerowych o średnicy mikro- i nanometrycznej – to czysty polimer lub kompozyt, przewodzące prąd elektryczny. Kanałem przepływowym płynie ciecz z bakteriami. Kiedy bakterie znajdą się w pobliżu czujnika, zmieniają przewodnictwo elektryczne włókienek i pojawia się sygnał, który rejestrujemy. Jego charakter zależy od rodzaju mikroorganizmów. Wystarczy, żeby w próbce znalazła się ich niewielka liczba - w ciągu kilkudziesięciu sekund układ, wspomagany odpowiednio oprogramowanym komputerem, poda ich nazwę oraz ilość w jednostce objętości.
Nanobiodetektor powstał w ramach projektów zorientowanych na zastosowania w zakresie wykrywania skażeń biologicznych. Jeden z nich sfinansowała amerykańska agencja DARPA - Defense Advanced Research Projects Agency (Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności), zajmująca się frontowymi badaniami; drugi, polski, o charakterze ochronnym, wsparło Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR). W tym przypadku nanobiodektektor był elementem mobilnego laboratorium zagrożeń. Jednak urządzenie można wykorzystywać nie tylko w obronie wojskowej i cywilnej, ale również w monitoringu stanu czystości wód, czy diagnostyce medycznej.
Genialne rzeczy są proste
Na podobnej zasadzie działa kolejny wynalazek profesora - nanochemodetektor. Pracuje on w atmosferze powietrza i zamiast pobierać odrobinę płynu, reaguje na pary i gazy wydzielane przez badane substancje lub ich mieszaniny. Sygnał generowany jest w wyniku następujących po sobie procesów sorpcji-desorpcji cząsteczek analizowanej substancji na przewodzących mikro- i nanowłóknach. W tym celu w konstrukcji zainstalowano miniaturowy układ grzejny.
- Gdy temperatura rośnie, następuje desorbcja (uwalnianie), a jak wyłączymy impuls grzejny - sorbcja (pochłanianie). Detektor rejestruje charakterystyczny przebieg procesu sorbcji i desorbcji w postaci zmian przewodnictwa elektrycznego w funkcji czasu. Komputer analizuje kształt tego sygnału i wyznacza jego parametry. Dane trafiają do bazy, co stanowi podstawę rozpoznawania i identyfikacji substancji - wyjaśnia naukowiec.
Czytaj też: Chemicy z UAM poznali recepturę masy barwiącej
Układ jest bardzo prosty, ale inteligentny - sam uczy się identyfikować nieznaną substancję na podstawie wcześniej podanego wzorca. Potrafi ją wykryć i podać nazwę w ciągu 2 minut! Można powiedzieć, że działa jak nos - wącha i mówi, co to jest. Urządzenie wykrywa subtelne różnice między bardzo podobnymi substancjami np. identyfikuje różne gatunki kaw, herbat, alkoholi, a nawet rozróżnia izomery środków psychoaktywnych. - To mnie zaskoczyło, bo urządzenie jest proste. No, ale genialne rzeczy takie właśnie są – żartuje profesor.
Od amfetaminy po bimber
Do badań dołączyła studentka, obecnie już magister, Dominika Konieczna. Magistrantka konstruowała czujniki na bazie pojedynczych włókien węglowych oraz przeprowadzała pomiary, które miały na celu sprawdzenie pracy czujników, najpierw na substancjach modelowych, ogólnodostępnych np. na kawie, herbacie, gałce muszkatołowej, imbirze, a potem takich, jak amfetamina, marihuana i bimber w laboratorium kryminalistycznym Komendy Wojewódzkiej Policji w Poznaniu. Prace obejmowały etap kalibracji (celem konstrukcji baz danych) oraz badań identyfikacyjnych z testową i właściwą bazą danych (dotyczącą substancji silnie psychoaktywnych).
- Pierwsze miesiące były bardzo trudne. Skonstruowanie czujnika, który chciałby ze mną współpracować i odróżniać np. herbatę od powietrza, wymagało dużo cierpliwości. Włókna bardzo małe i cienkie, ledwie widoczne (o średnicy ok. 5 mikrometrów) niezwykle trudno chwycić pęsetą i nanieść na elektrodę. Jak się udawało, to albo włókienko było za grube albo za długie, lub nałożyłam za dużo kleju i następowało zwarcie. Gdy na początku grudnia udało się skonstruować kilka czujników, które dawały odpowiedzi zgodne z oczekiwaniami, to śmiałyśmy się z koleżanką (również magistrantką), że dostałyśmy prezent na święta, bo badania zaczynają wychodzić. Jak już wypracowałam schemat postępowania, który działał, było z górki – mówi Dominika Konieczna
Zaskoczyło młodą badaczkę to, że czujnik odróżnia prawie identyczne substancje. Takie małe coś, a potrafi rozpoznać np. marihuanę z odległości 10-20 centymetrów znajdującą się w kieszeni. - Nie spodziewałam się, że na tym etapie badań czujnik będzie dawać prawidłowe odpowiedzi poza komorą pomiarową. A jednak. Mam dużą satysfakcję z pracy magisterskiej, nauczyłam się, że nie można się poddawać po nieudanych początkach, czasem warto poczekać, bo efekty mogą przekroczyć oczekiwania – mówi.
Wywącha więcej niż pies
Jeden z policjantów z laboratorium kryminalistycznego był bardzo zdziwiony, kiedy nanochemodetektor rozróżnił…bimber od whisky. Młoda chemiczka sama nie wierzyła, że urządzenie rozpozna alkohol etylowy i metylowy. A jednak. Dał sobie też radę z izomerami substancji psychoaktywnej (3-CMC i 4-CMC), różniącymi się tylko ulokowaniem podstawnika.
Potencjalne zastosowanie detektora jest ogromne: od sprawdzania jakości i zgodności różnych towarów, odkrywania fałszerstw produktów spożywczych i tytoniu, po wykrywanie materiałów wybuchowych, narkotyków, a nawet diagnostykę niektórych chorób.
Wynalazek poznańskiego uczonego mógłby wspomóc pracę policji i innych służb np. na lotniskach. Działa bezkontaktowo i nie krępuje sprawdzanej osoby. Układ jest na tyle czuły, że zidentyfikuje nawet miligranowe ilości amfetaminy lub innych narkotyków. Świetnie radzi sobie też z dopalaczami, których skład tak szybko się zmienia, że nawet laboratoria policyjne nie nadążają z ich analizą.
Urządzenie, które pracuje niezawodnie 24 godziny na dobę z powodzeniem zastąpiłoby psy. Duże zwierzęta obdarzone bardzo czułym węchem widać z daleka, co może wystraszyć osoby przewożące narkotyki, tymczasem detektor można ukryć. Poza tym psy męczą się po dwóch godzinach pracy, zwłaszcza kiedy rozpraszają je inne zapachy; na ich nastrój wpływa też pogoda i stopień wyszkolenia. Trudno powiedzieć, czy policja, choć zainteresowana urządzeniem, wykorzysta je kiedykolwiek - na przeszkodzie stoją procedury, które w tym momencie są nie do pokonania.
Sprytny detektor przydałby się w medycynie do przeprowadzania testów przesiewowych. Dzięki umiejętności wykrycia różnych substancji w wydychanym powietrzu mógłby wspomóc diagnostykę np. chorób nerek, raka płuc, cukrzycy. Badanie byłoby nieinwazyjne - wystarczy dmuchnąć, jak w alkomat. Obecnie trwają zaawansowane prace nad rozwojem elementów detekcyjnych. - Dalszy krok to uproszczenie techniki wytwarzania detektorów, żeby nadawała się do produkcji przemysłowej. Do tej pory wykonywaliśmy je ręcznie. Kolejny etap to opracowanie sposobu montowania całego urządzenia, optymalnego dla komercjalizacji. Przygotowujemy się też do daleko idącej miniaturyzacji - podsumowuje prof. Langer.
