Nanodeeltjes verbeteren het reukvermogen van sprinkhanen – Physics World

Met behulp van speciaal ontwikkelde nanodeeltjes heeft een team van Amerikaanse onderzoekers het reukvermogen van sprinkhanen kunstmatig verbeterd. Geleid door Srikanth Singamaneni en Barani Raman aan de Washington University in St. Louis zou de aanpak van de onderzoekers kunnen leiden tot een nieuw type biologisch-chemische sensoren.

Veel verschillende dieren hebben een reukvermogen ontwikkeld dat veel beter presteert dan het onze. Zelfs vandaag de dag moeten de nieuwste ontwerpen van chemische sensoren de gevoeligheid van biologische reuksystemen nog inhalen, evenals hun vermogen om onderscheid te maken tussen subtiel verschillende stoffen.

Onlangs hebben onderzoekers geprobeerd deze capaciteiten te benutten in biologisch-chemische sensoren. Aanvankelijk was het team van Singamaneni van plan dit te doen met sprinkhanen, die hun reukapparaat in hun antennes dragen.

De biologie doet het harde werk

“We lieten de biologie het zwaardere werk doen door informatie over dampvormige chemicaliën om te zetten in een elektrisch neuraal signaal”, legt Raman uit. “Deze signalen worden gedetecteerd in de insectenantennes en doorgegeven aan de hersenen. We kunnen elektroden in de hersenen plaatsen, de neurale reactie van de sprinkhanen op geuren meten en ze gebruiken als vingerafdrukken om onderscheid te maken tussen chemicaliën.”

Deze aanpak stuitte echter al snel op moeilijkheden. Zonder de insecten schade toe te brengen, ontdekte het team van Singamaneni dat ze strikt beperkt waren, zowel wat betreft het aantal elektroden dat ze konden gebruiken als in de regio's waar ze konden worden geplaatst. Uiteindelijk betekende dit dat de neurale signalen die ze detecteerden veel te zwak waren om het systeem als een betrouwbare chemische sensor te laten fungeren.

Om deze uitdaging het hoofd te bieden, hebben de onderzoekers onderzocht hoe de neurale signalen van de sprinkhanen kunnen worden versterkt met behulp van fotothermische nanodeeltjes, die uiterst efficiënt zijn in het omzetten van licht in warmte. “Warmte beïnvloedt de verspreiding – stel je voor dat je koude melk aan hete koffie toevoegt”, zegt Raman. "Het idee is om de warmte die door nanostructuren wordt gegenereerd te gebruiken om lokaal de neurale activiteit te verwarmen en te verbeteren."

In dit geval onderzocht het team hoe lokaal toegepaste warmte kon worden gebruikt om de afgifte van neurotransmitters te controleren. Dit zijn de moleculen die verantwoordelijk zijn voor het overbrengen van elektrische signalen tussen neuronen in de hersenen.

Smeltende was

Om dit te bereiken, begonnen ze met het inkapselen van fotothermische polydopamine nanodeeltjes in een poreuze silicacoating. Vervolgens mengden ze de structuur met een kleurstof die 1-tetradecanol bevatte. Dit laatste is bij kamertemperatuur een wasachtige vaste stof, maar smelt bij slechts 38 °C. Ten slotte laadden ze de nanostructuren met een neurotransmitter-‘lading’ en injecteerden ze in de hersenen van sprinkhanen.

Om hun aanpak te testen plaatste het team willekeurige reeksen elektroden op de hoofden van de sprinkhanen en controleerde hun neurale signalen wanneer ze hen aan verschillende geuren blootstelden. Toen ze neurale signalen detecteerden, vuurde het team een ​​nabij-infraroodlaser af op de plaats waar de signalen verschenen.

De fotothermische nanodeeltjes absorbeerden het nabij-infrarode licht en verhitten de omringende 1-tetradecanol tot boven het smeltpunt, waardoor de neurotransmitterlading van de structuur vrijkwam in de directe omgeving.

Verbeterd reukvermogen

Door de tijdelijke overvloed aan neurotransmitters werden de neurale signalen van de sprinkhanen tijdelijk versterkt met een factor 10. Dit verbeterde het reukvermogen van de insecten en verhoogde ook de neurale activiteit van de sprinkhanen tot niveaus die veel nauwkeuriger konden worden gemeten door de elektrode van het team. arrays. Dit was zelfs het geval als de nanodeeltjes niet in optimale posities waren geplaatst.

Locust trommelvlies is een kleine frequentieanalysator

“Onze studie presenteert een generieke strategie om op reversibele wijze neurale signalen te versterken op de hersenplaats waar we de elektroden plaatsen”, legt Raman uit. Toen signaalversterking niet langer nodig was, werden de overtollige neurotransmittermoleculen eenvoudigweg afgebroken door natuurlijke enzymen. Op de lange termijn zullen de nanostructuren biologisch afbreekbaar zijn, waardoor de sprinkhanen ongedeerd blijven.

De onderzoekers hebben er vertrouwen in dat hun aanpak een veelbelovende stap kan zijn in de richting van een nieuwe generatie biologisch-chemische sensoren.

“Het zou een bestaande passieve benadering – waarbij informatie eenvoudigweg wordt gelezen – veranderen in een actieve benadering, waarbij de mogelijkheden van neurale circuits als basis voor informatieverwerking volledig worden benut”, legt Raman uit. Als dit wordt bereikt, zou dit zowel de gevoeligheid van chemische sensoren vergroten als hun vermogen om onderscheid te maken tussen verschillende chemicaliën verbeteren.

Het onderzoek is beschreven in Natuur Nanotechnologie.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-enhance-locusts-sense-of-smell/