Platining

Датчик отслеживает тяжесть заболевания Ученые разработали прототип датчика, который может помочь врачам быстро измерять уровни аденозинтрифосфата (АТФ) и лактата в образцах крови пациентов, помогая быстро оценить тяжесть некоторых заболеваний. АТФ — это молекула, присутствующая в каждой живой клетке, которая хранит и переносит энергию. В эритроцитах АТФ вырабатывается биохимическим путем, называемым путем Эмбдена-Мейергофа. Тяжелые заболевания, такие как полиорганная недостаточность, сепсис и грипп, снижают количество АТФ, вырабатываемого эритроцитами. Таким образом, тяжесть этих заболеваний можно оценить путем мониторинга количества АТФ и лактатов в крови пациента. Университета Токусима предложили шкалу энергетического риска АТФ-лактата (A-LES) для измерения уровней АТФ и лактата в крови для оценки тяжести острого гриппа у пациентов. Однако нынешние методы измерения этих уровней и другие подходы к измерению тяжести заболевания могут быть громоздкими, длительными или недостаточно чувствительными. Ученые университета Хоккайдо и университета Токусима разработали биосенсор, который может определять уровни АТФ и лактата в крови с очень высокой чувствительностью всего за пять минут. Процесс прост - химические вещества добавляются в образец крови для извлечения АТФ из эритроцитов, затем добавляются ферменты и субстраты для преобразования АТФ и лактата в один и тот же продукт, который можно обнаружить с помощью специально модифицированных электродов на сенсорном чипе. Интенсивность тока, генерируемого на электродах, зависит от количества побочного продукта, присутствующего в образце. Команда провела параллельные тесты и обнаружила, что другие компоненты, присутствующие в крови, такие как аскорбиновая кислота, пировиноградная кислота, аденозиндифосфат (АДФ), и ионы калия, не влияют на способность электродов точно определять АТФ и лактат. Далее исследователи стремятся еще больше упростить процесс измерения, интегрировав метод извлечения АТФ в сам чип. Они также планируют сделать свою сенсорную систему еще более компактной.

Программирование pH: новая технология может ускорить синтез ДНК pH — концентрация протонов в водном растворе — показывает, насколько кислым является раствор. Он регулирует широкий спектр природных и искусственных химических процессов, включая синтез последовательностей ДНК для применения в биотехнологии. Равномерное изменение pH во всем водном растворе является стандартной практикой в химии. Но что, если исследователи смогут создать массив локализованных областей pH, где протоны концентрируются более интенсивно, чем в других частях раствора? Это позволило бы им проводить химию с регулируемым pH в каждом из этих мест параллельно, значительно увеличивая экспериментальную производительность и ускоряя процессы синтеза ДНК, что находит применение в геномике, синтетической биологии, разработке вакцин и других методах лечения, а также в хранении данных. Но локализация pH является сложной задачей, поскольку протоны быстро распространяются в растворе на водной основе. Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) в сотрудничестве с исследователями из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда, а также биотехнологической компании DNA Script, разработали метод контроля pH на локальном уровне, создавая плотный массив микросайтов, где количество протонов в 100–1000 раз превышает среднее значение в остальной части раствора. Это стало возможным благодаря множеству электрохимических ячеек микрометрового масштаба с уникальной геометрией, изготовленных на полупроводниковой интегральной схеме и управляемых ею. Полупроводниковый чип с 256 электрохимическими ячейками на поверхности напрямую связан с водным раствором молекул хинона. Каждая ячейка выглядит как «яблочко» с двумя концентрическими металлическими кольцами. Внутреннее кольцо подает ток в раствор для электрохимического образования протонов из молекул хинона. Эти локально генерируемые протоны пытаются распространиться, но нейтрализуются вблизи внешнего кольца, которое электрохимически производит основные молекулы из молекул хинона, вытягивая ток из раствора. Таким образом, локально генерируемые протоны задерживаются в центре «яблочка» и вокруг него, создавая кислую микросреду с пониженным pH. По сути, в каждой активированной электрохимической ячейке создали электрохимическую стенку, используя внешнее кольцо, через которую не может проникнуть кислота. Поскольку каждая ячейка контролируется независимо базовым полупроводниковым чипом, мы можем снизить pH в любом произвольном подмножестве из 256 электрохимических ячеек, которые мы выбираем для активации. Уникальная структура ячейки, которую мы разработали на полупроводниковом электронном чипе, позволяет осуществлять пространственно-селективное программирование pH. Устройство может не только локализовать и точно настраивать pH, регулируя токи концентрических колец каждой электрохимической ячейки, но также может контролировать pH в реальном времени с помощью встроенных датчиков pH, распределенных по массиву электрохимических ячеек. Поэтому мы можем создать любую пространственную структуру целевых значений pH или топографию pH в водном растворе, используя обратную связь в реальном времени от карты пространственной структуры pH. Манипуляции с пространственными структурами pH в водных средах могут привести к высокопроизводительному ферментативному синтезу ДНК с множеством биотехнологических приложений, от белковой инженерии и скрининга антител до хранения информации ДНК.

Искусственный лист, улавливающий углекислый газ Инженеры Иллинойского университета в Чикаго создали экономичный искусственный лист, который может улавливать углекислый газ в 100 раз лучше, чем нынешние системы. В отличие от других систем улавливания углерода, которые работают в лабораториях с чистым диоксидом углерода из резервуаров под давлением, этот искусственный лист работает в реальном мире. Он улавливает углекислый газ из более разбавленных источников, таких как воздух и дымовые газы, вырабатываемые угольными электростанциями, и высвобождает его для использования в качестве топлива и других материалов. Устройство представляет собой электрохимическую ячейку с разделенными мембранной анодным и катодным пространством. В катодном пространстве используется органический растворитель, который улавливает диоксид водорода, переводя его в бикарбонат. По мере накопления бикарбоната отрицательные заряженные ионы проходят через мембрану в анодное пространство с водным растворителем. В анодном пространстве бикарбонат восстанавливается до углекислого газа, который можно собирать и в дальнейшем использовать. Когда ученые протестировали систему обнаружили, что она имеет очень высокий поток — скорость улавливания углерода по сравнению с площадью поверхности, необходимой для реакций — 3,3 миллимоля в час на 4 квадратные сантиметры. Это более чем в 100 раз лучше, чем у других систем, хотя для питания реакции требовалось лишь умеренное количество электроэнергии (0,4 кДж/час), меньше, чем количество энергии, необходимое для светодиодной лампочки мощностью 1 Вт. Устройство можно сделать модульным и использовать дома и в классах, а не только в промышленных организациях. Небольшой модуль размером с домашний увлажнитель воздуха может удалять более 1 килограмма CO2 в день, а четыре промышленные электродиализные установки могут улавливать более 300 килограммов CO2 в час из дымовых газов.

Окислительно-восстановительный цикл в электрохимических ячейках с нанозазорами Электрохимическая ячейка с нанозазором создается путем точного разделения двух рабочих электродов слоем электролита шириной 10–100 нм. Потенциал каждого электрода контролируется независимо по отношению к электроду сравнения в объемном растворе (т.е., вне нанозазора) и ток на каждом электроде измеряется отдельно. Обычно электрохимические ячейки с нанозазором работают в конфигурации генерации/сбора, где один электрод удерживается под окислительным потенциалом, а второй электрод — с восстановительным потенциалом, что позволяет соединениям окисляться на одном электроде и транспортироваться через наноразмерный зазор между электродами (за счет сочетания диффузии, миграции и конвекции), а затем уменьшаться на втором электроде. Нанозазор улавливает редокс-частицы и позволяет частицам неоднократно циклически перемещаться между двумя электродами, что приводит к значительному усилению электрохимического процесса. Недавние разработки в производстве устройств, используя либо методы нанолитографии, либо методы сканирующей электрохимической микроскопии, позволили создавать зазоры длиной в десятки нанометров. Разработка электрохимической ячейки с нанощелями предоставила возможность исследовать электрохимию одиночных молекул и влияние двойного слоя на молекулярный транспорт на заряженных границах раздела. Электрохимическая ячейка с нанозазором также обеспечивает интересную конфигурацию для приложений электроаналитического зондирования. Недавним инновационным применением электрохимических ячеек с нанозазорами является исследование двойных электрических слоев. Электрохимические ячейки с нанозазором шириной менее 100 нм представляют собой мощный инструмент для наноэлектрохимических измерений.

Объединение возможностей электрохимии и проточной технологии Электрохимия занимается изучением связи между электрическими и химическими процессами. Эти явления всегда имеют место на границе раздела двух проводников — электролита и электрода. Сочетание электрохимии и проточной технологии открывает большие перспективы для устойчивого производства ценных химических веществ, таких как сырье биологического происхождения. В сочетании с проточной технологией (которая занимается динамикой жидкостей) электрохимия обеспечивает еще больший контроль над условиями реакции. Однако реализация электрохимических реакций в потоке гораздо сложнее, чем просто закачивание реакционной смеси в электролизер. В своей диссертации учёный китайского происхождения исследовал проточный электрохимический органический синтез, уделив особое внимание так называемым микрореакторам непрерывного действия, которые можно использовать для переработки сырья биологического происхождения. Его исследования включали несколько этапов: от проектирования и проверки электрохимического микропоточного реактора, электрохимического преобразования фурфурола (типичного химического вещества биологического происхождения) в ценные химические вещества в потоке до преобразования и ускорения двухфазных электрохимических реакций газ-жидкость в микропоточный реактор и численный анализ режима течения жидкость-жидкость. Одной из проблем, с которыми Цао столкнулся в своих исследованиях, было засорение каналов, которое, по его словам, продолжает оставаться ахиллесовой пятой микрореакторной технологии. Решение этих проблем, несомненно, требует совместных усилий инженеров-химиков. Прогресс в этих аспектах увеличит полезность технологии проточных реакторов и раздвинет границы синтетической органической электрохимии.