Elektronische neus spoort pesticiden en zenuwgas op

Een elektronische neus die schadelijke stoffen, zoals pesticiden en chemische wapens, in zeer lage concentraties kan opsporen, is nu mogelijk. Dat blijkt uit een studie door onderzoekers van het Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse van de KU Leuven in samenwerking met imec en internationale partners.

De bekendste elektronische neus is waarschijnlijk de alcohol-ademtest: een chemische sensor meet de ethanol in de uitgeademde lucht en zet een chemische reactie om naar een elektronisch signaal, waardoor de politieagent het resultaat digitaal kan aflezen. Bij alcohol is de chemische reactie zeer specifiek en de concentratie van het gemeten gas redelijk hoog. Maar geuren zijn vaak complexe mengsels van gasmoleculen, die in heel lage concentraties kunnen voorkomen. Dat maakt het bouwen van elektronische neuzen voor vele gassen een moeilijke klus.

 

Leuvense onderzoekers ontwikkelden nu toch een zeer gevoelige elektronische neus met een nieuw materiaal, legt postdoctoraal onderzoeker Ivo Stassen uit: "Metaal-organische roosters (metal-organic frameworks, afgekort MOF's) kan je omschrijven als microscopische sponzen, omdat ze in hun minuscule poriën heel wat ander materiaal - zoals gas - kunnen opnemen." Door de samenstelling van het organisch materiaal en het metaal van de roosters zorgvuldig te kiezen, hebben de Leuvense wetenschappers nu een MOF gemaakt dat in zijn nanoporiën selectief fosfonaten weet op te stapelen.

 

Druppel in zwembad

"Fosfonaten zijn moleculen die terug te vinden zijn in pesticiden en zenuwgassen, zoals het chemische wapen sarin. Een elektronische neus met dit materiaal kan je dus inzetten om sporen van chemische wapens te vinden of om een residu van pesticiden op voedsel te identificeren. Dit MOF is de gevoeligste gassensor tot nu toe voor deze gevaarlijke klasse van moleculen. Zo blijkt uit onze metingen bij Pmec, het Leuvense onderzoeksinstituut in de nano-elektronica. Het gaat om concentraties zoals ppb (parts per billion, deeltjes per miljard) en ppt (parts per trillion, deeltjes per biljoen) - ppb kan je vergelijken met een druppel in een olympisch zwembad."

 

Geurhandtekening

Het voordeel van dit MOF-materiaal is dat het zeer makkelijk te integreren is in bestaande elektronica, voegt professor Rob Ameloot toe. "Je kan de MOF als een dunne film over een oppervlak, bijvoorbeeld van een elektrisch circuit, aanbrengen. Een smartphone is dus vrij eenvoudig uit te rusten met een gassensor voor pesticiden en zenuwgas. Met verder onderzoek naar MOF's kunnen we ook kijken naar andere toepassingen: als je heel lage concentraties kan meten, kan je bijvoorbeeld via de adem vroegtijdig screenen op ziektes, als longkanker en multiple sclerose. In andere gevallen kan je de geurhandtekening van een product gebruiken om het bederf van voedsel te na te gaan of om namaakproducten op te sporen, zoals een nagemaakte wijn. Deze technologie biedt dus heel veel perspectieven."

Ilse Frederickx, KU Leuven

 

De volledige tekst van de studie "Towards Metal-Organic Framework based Field Effect Chemical Sensors: UiO-66-NH2 for Nerve Agent Detection" door I. Stassen, B. Bueken, H. Reinsch, J.F.M. Oudenhoven, D. Wouters, J. Hajek, V. Van Speybroeck, N. Stock, P.M. Vereecken, R. Van Schaijk; D. De Vos en R. Ameloot in Chemical Science is online vrij beschikbaar.

Dit onderzoeksproject wordt gefinancierd door het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO) en wordt uitgevoerd in samenwerking met Imec (Leuven en Eindhoven), UGent en de Christian-Albrechts-University Kiel (Duitsland).
Kijk voor meer info over het onderzoek naar MOF's aan KU Leuven hier en in Nature Materials.