Sensorplatform maakt gebruik van nanopore ‘Speed ​​Camera’s’ om gassen in complexe mengsels te lokaliseren

Van ademanalyse tot explosieve detectie, veel toepassingen vereisen betrouwbare elektronische “neuzen”. Helaas schiet de huidige technologie vaak tekort. Dat is de reden waarom onderzoekers van KU Leuven een flexibel sensorplatform hebben ontwikkeld dat niet alleen gassen detecteert, maar ook hun snelheid registreert – zoals een snelheidscamera.

De technologie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie en is sindsdien gepatenteerd, meet hoe snel moleculen door een speciaal nanomateriaal bewegen. Dit opent de deur naar een breed scala aan toepassingen.

Traditionele chemische sensoren meet meestal hoeveel van een specifieke stof zich aan een oppervlak houdt. Maar de lucht bevat honderden vluchtige organische verbindingen (VOS), vaak in lage concentraties en allemaal gemengd. Om dingen nog complexer te maken, is waterdamp vaak duizend keer overvloediger dan de doelstoffen, waardoor het voor veel sensoren moeilijk is om nauwkeurige metingen te doen. Het resultaat: slechte betrouwbaarheid en precisie.

Het nieuwe sensorplatform van KU Leuven maakt gebruik van metaalorganische frameworks (MOFS): materialen met een netwerk van nanoporiën die allemaal exact dezelfde grootte hebben. Deze werken als moleculaire snelheidscamera’s. Wanneer gasmoleculen door de poriën bij een enigszins verhoogde temperatuur bewegen, doen ze dit op verschillende, specifieke snelheden, afhankelijk van hun structuur. Die snelheid werkt als een vingerafdruk. Door de snelheid te meten, kunnen onderzoekers onderscheid maken tussen verschillende gassen, zelfs onder uitdagende omstandigheden waar traditionele sensoren falen.

“Je zou onze benadering van snelheidsbewaking voor moleculen kunnen vergelijken”, zegt Margot Verstreken, Bioscience Engineer en postdoctoraal onderzoeker bij de Ameloot Research Group bij KU Leuven. “We kijken niet alleen naar hoeveel moleculen door de nanoporiën bewegen, maar ook naar de verschillen in snelheid. We noemen die kinetische selectiviteit. Die extra informatie maakt het verschil.”

Schaalbaar platform

Wat de KU Leuven -benadering uniek maakt, is dat het een schaalbaar platform is. “Door het metaalorganische raamwerk aan te passen, kunnen we de sensor aanpassen aan specifieke gassen zonder de onderliggende technologie te wijzigen,” legt Versstreken uit. “Het systeem blijft compact, energiezuinig en goed presterend. Zelfs in vochtige omgevingen of met complexe gasmengsels en lage concentraties, presteert het beter dan commerciële elektronische neuzen.”

Een patentaanvraag is ingediend voor de specifieke sensorstructuur, omdat er een breed scala aan potentiële toepassingen voor deze technologie is. Denk aan een ademtest voor vroege diabetesdiagnose; of het detecteren van lekken in de chemische industrie en fouten in Li-ionbatterijen, het bewaken van binnen- of buitenluchtkwaliteit; of het volgen van de frisheid van groenten en fruit in opslag. Zelfs verborgen explosieven of medicijnen kunnen sneller en nauwkeurig worden gedetecteerd met deze technologie. Vanwege het modulaire ontwerp kan de sensor aan elke taak worden aangepast: kies de juiste MOF’s en het platform laat het werken.

“Dit is geen sensor gebouwd voor één specifieke taak, maar een modulair platform,” benadrukt Verstreken. “Door de juiste MOF of combinatie van MOF’s te selecteren, kunt u de sensor aanpassen aan wat u wilt detecteren. Die flexibiliteit maakt ons platform geschikt voor een breed scala aan sectoren, van gezondheidszorg tot beveiliging.”

Met dit onderzoek won Margot Verstreken de Belgische editie van Falling Walls, een internationale wetenschapscommunicatiewedstrijd. In november zal ze België vertegenwoordigen op de Wereldfinale in Berlijn en concurreert ze tegen jonge onderzoekers uit meer dan honderd landen.