A pesquisa na Oregon State University levou a ciência para mais perto do desenvolvimento de um nariz eletrônico para monitorar a qualidade do ar, detectar ameaças à segurança e diagnosticar doenças medindo os gases na respiração do paciente.

Pesquisa publicada recentemente liderada por Cory Simon, professor assistente de engenharia química na Faculdade de Engenharia da OSU, em colaboração com o professor de engenharia química Chih-Hung Chang focou em materiais conhecidos como estruturas metal-orgânicas, ou MOFs.

A pesquisa teve como objetivo um obstáculo crítico, embora pouco estudado, no uso de MOFs como sensores de gás:dentre os bilhões de MOFs possíveis, como você determina os corretos para construir o nariz eletrônico ideal?

MOFs têm poros nanométricos e adsorvem gases seletivamente, semelhante a uma esponja. Eles são ideais para uso em matrizes de sensores devido à sua capacidade de ajuste, permitindo que os engenheiros usem um conjunto diversificado de materiais que permite que uma série de sensores baseados em MOF forneçam informações detalhadas.

Dependendo de quais componentes constituem um gás, diferentes quantidades de gás serão adsorvidas em cada MOF. Isso significa que a composição de um gás pode ser inferida medindo o gás adsorvido na matriz de MOFs usando balanços em microescala.

O desafio é que todos os MOFs adsorvem todos os gases - não na mesma medida, mas, no entanto, a ausência de seletividade perfeita impede um engenheiro de simplesmente dizer, "vamos dedicar este MOF ao dióxido de carbono, aquele para dióxido de enxofre, e outro para dióxido de nitrogênio. "

"A curadoria de MOFs para matrizes de sensores de gás não é tão simples porque cada MOF na matriz adsorverá de maneira apreciável todos os três gases, " Simon disse.

Narizes humanos lidam com esse mesmo problema contando com cerca de 400 tipos diferentes de receptores olfativos. Muito parecido com os MOFs, cada receptor olfativo é ativado por muitos odores diferentes, e cada odor ativa muitos receptores diferentes; o cérebro analisa o padrão de resposta, permitindo que as pessoas distingam uma infinidade de odores diferentes.

"Em nossa pesquisa, criamos uma estrutura matemática que nos permite, com base nas propriedades de adsorção de MOFs, para decidir qual combinação de MOFs é ideal para uma matriz de sensores de gás, "Simon disse." Haverá inevitavelmente alguns pequenos erros nas medições da massa de gás adsorvido, e esses erros corromperão a previsão da composição do gás com base na resposta da matriz de sensores. Nosso modelo avalia o quão bem uma determinada combinação de MOFs evitará que esses pequenos erros corrompam a estimativa da composição do gás. "

Embora a pesquisa tenha sido basicamente modelagem matemática, os cientistas usaram dados experimentais de adsorção em MOFs reais como entrada, Simon disse, acrescentando que Chang é um experimentalista "com quem estamos trabalhando para fazer um nariz eletrônico real para detectar poluentes atmosféricos".

"No momento, estamos buscando financiamento externo juntos para trazer este novo conceito à realização física, "Simon disse." Por causa deste papel, agora temos um método racional para projetar computacionalmente a matriz sensorial, que engloba a simulação da adsorção de gás nos MOFs com modelos moleculares e simulações para prever suas propriedades de adsorção, em seguida, usando nosso método matemático para filtrar as várias combinações de MOFs para a matriz de sensores mais precisa. "

O que significa que, em vez de uma abordagem experimental de tentativa e erro para decidir quais MOFs usar em uma matriz de sensor, os engenheiros podem usar o poder computacional para selecionar a melhor coleção de MOFs para um nariz eletrônico.

Outra aplicação empolgante de tal nariz poderia ser o diagnóstico de doenças. Os compostos orgânicos voláteis emitidos pelos humanos, como através da nossa respiração, são preenchidos com biomarcadores para várias doenças, e estudos mostraram que os cães - que têm o dobro do número de receptores olfativos diferentes dos humanos - podem detectar doenças com o nariz.

Por mais maravilhosos que sejam, Contudo, narizes de cães não são tão práticos para uso em diagnóstico generalizado quanto seria um conjunto de sensores cuidadosamente elaborado e manufaturado.

Os resultados da pesquisa computacional MOF foram publicados em Materiais e interfaces aplicados ACS .