Nanoestructuras funcionalizadas para detectar compuestos que contienen nitro.

Un dispositivo (100) que comprende un sustrato (102) y una pluralidad de nanohilos (110) depositados sobre dicho sustrato (102),

al menos una parte de dicha pluralidad de nanohilos (110) comprende nanohilos (104) que tienen unido un primer resto funcional a los mismos y al menos otra parte de dicha pluralidad de nanohilos comprende nanohilos (106) que tienen unido un segundo resto funcional a los mismos, siendo diferentes dichos primer y segundo restos funcionales;

caracterizado por que:

cada uno de dichos primer y segundo restos funcionales se adaptan para interactuar con el explosivo que contiene nitro mediante la formación de un complejo de transferencia de carga, de modo que tras el contacto con una muestra que contiene un explosivo que contiene nitro, la pluralidad de nanohilos (110) exhibe un cambio detectable en una propiedad eléctrica, siendo indicativo dicho cambio de la presencia y/o cantidad de dicho explosivo que contiene nitro en dicha muestra, y siendo indicativo además de la composición química del explosivo que contiene nitro,

en el que cada uno de dichos primer y segundo restos funcionales es independientemente un resto donador de electrones y en el que la longitud de cada uno de dichos primer y segundo restos funcionales es menor de 2 nm.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/IL2011/000443.

Solicitante: Tracense Systems Ltd.

Inventor/es: PATOLSKY, FERNANDO, ENGEL,YONI, ELNATHAN,ROEY.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01N27/414 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 27/00 Investigación o análisis de materiales mediante el empleo de medios eléctricos, electroquímicos o magnéticos (G01N 3/00 - G01N 25/00 tienen prioridad; medida o ensayo de variables eléctricas o magnéticas o de las propiedades eléctricas o magnéticas de los materiales G01R). › Transistores de efecto de campo sensibles a los iones o a los agentes químicos, es decir ISFETS o CHEMFETS.
  • G01N33/22 G01N […] › G01N 33/00 Investigación o análisis de materiales por métodos específicos no cubiertos por los grupos G01N 1/00 - G01N 31/00. › combustibles; explosivos.

PDF original: ES-2538009_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Nanoestructuras funcionalizadas para detectar compuestos que contienen nitro CAMPO Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención, en algunas realizaciones de la misma, se refiere a la detección de compuestos químicos y, más particularmente, pero no exclusivamente, a dispositivos, sistemas y métodos útiles para detectar cantidades ultratraza de compuestos químicos que contienen nitro tales como explosivos en fase tanto líquida como gaseosa.

Un "explosivo" es una molécula químicamente Inestable que tiene una rápida velocidad de autodescomposlclón, con el desprendimiento acompañante de grandes cantidades de calor y productos gaseosos. Se ha producido un gran aumento en el desarrollo de la detección de trazas y ultratrazas de explosivos en la última década, debido principalmente a la globallzación de los actos terroristas, y a la reclamación de tierras contaminadas usadas previamente con fines militares.

Además, la disponibilidad de materias primas para la preparación de explosivos, junto con el creciente acceso a la Información para preparar estos explosivos, permiten a casi cualquiera con la suficiente voluntad y acceso a Internet preparar una bomba. El gran número de personas que pasan por fronteras, espacios públicos, aeropuertos, etc., supone un gran desafío hoy en día para las tecnologías de exploración de seguridad. El mismo desafío se aplica a la seguridad de hogares y edificios. Por supuesto, el objetivo final es conseguir explorar rápida y eficazmente cada persona en tránsito, sin la necesidad de demorar el tráfico de las personas y, si fuera posible, sin contacto humano.

Los explosivos, especialmente los ocultos, tienen una presión de vapor muy baja o "firma" en el aire circundante. Los terroristas pueden reducir la presión de vapor eficaz de los explosivos en un factor de hasta 1 con el uso de envases de plástico. Por lo tanto, los métodos de detección para trazas de explosivos continúan estando mermados por la baja volatilidad de numerosos analltos diana.

Una de las sustancias altamente explosivas usadas con mayor frecuencia durante los últimos 1 años es el 2,4,6- trinitrotolueno (TNT), que representa no solo una amenaza de seguridad directa, sino también una gran preocupación ambiental debido a la contaminación del suelo y el agua cerca de los sitios de producción,

almacenamiento y ensayo.

Los procedimientos analíticos en uso hoy en día para la detección de trazas de explosivos Implican por lo general recoger muestras de vapor y analizarlas con un método sensible. Se han informado diversas metodologías para detectar TNT y otros explosivos. Estas se basan en electroquímica, espectrometría de movilidad Iónica, cromatografía de gases, HPLC, fotoluminiscencia, dispositivos de onda acústica superficial, microvoladlzos, polímeros fluorescentes, resonancia de plasmones de superficie, microequlllbrlo de cristal de cuarzo, inmunodetectores y otros métodos. En estos métodos existentes, se requiere habltualmente la concentración previa de las muestras líquidas o de aire para que el detector registre una señal medlble. Estos procedimientos son oportunos, y retrasan la operación de un detector. Aunque algunos métodos Informados son muy sensibles y selectivos, la mayoría son bastante caros, consumen tiempo y requieren equipo voluminoso, preparación tediosa de muestras y un operador experto. Además, estos sistemas no se pueden mlnlaturlzar ni automatizar o no pueden llevar a cabo análisis de alto rendimiento.

La siguiente Tabla 1 presenta datos que comparan la detección de TNT mediante diversas metodologías empleadas en la actualidad.

Tabla 1

Método de detección

Límite de detección

Detector electroquímico de microelectrodo remoto en agua

ppb

Nanopartículas luminiscentes de oligo(tetrafenll)s¡lol en agua

ppb

Inactivación de fluorescencia de películas de polímero en aire

ppb

Detección electroquímica mediante nanotubos de carbono en agua

ppb

Blochlp (en Au) mediante QCM o SPR en agua

1-1 ppb

Detección electroquímica usando materiales compuestos metálicos de NP-CNT en agua

1 ppb

Eliminación adsortiva mediante GCE modificado con nanotubos de carbono en agua

6 ppt

Detección electroquímica mediante electrodos modificados con Si2 mesoporoso en agua

414 ppt

Método de detección

Límite de detección

SPR basado en oligo(etilenglicol) en agua

8 ppt

Detección electroquímica mediante AuNP reticuladas con bis-anilina electropolimerizadas impresas en agua

46 ppt

SPR fabricado con proteína conjugada hemocianina de lapa californiana-dinitrofenilada (DNP-KLH) (en agua)

ppt

Inmunoensayo competitivo indirecto usando SPR (en agua)

2 ppt

Detección por SPR mediante material compuesto de ácido pícrico-nanopartículas de Au impresas reticuladas con bis-anilina en agua

1,2 x 1-3 ppt

IMS (espectroscopia de movilidad iónica) en muestras de aire y agua

5-1 ppt

SAW en agua

ppt

Conducción de polímeros en agua

2-4 ppt

Detector de captura p-electrónica

1 ppt

Detectores olfativos en aeropuertos en muestras de aire

2 ppt

Los perros especialmente adiestrados pueden detectar explosivos con el uso de su nariz que es muy sensible a los olores. Estos perros se adiestran mediante adiestradores expertos para identificar los olores de varios materiales explosivos comunes y notificar al adiestrador cuando detectan uno de estos olores. Aunque es muy eficaz, la utilidad de tales perros queda fácilmente mermada cuando el perro se cansa o aburre, limitando de ese modo el alcance de la aplicación.

Los nanohilos semiconductores se conocen por ser extremadamente sensibles a las especies químicas adsorbidas en su superficie. Para un dispositivo de nanohilo, la unión de un analito cargado a la superficie del nanohilo conduce a un cambio de conductancia, o a un cambio en el flujo de corriente a través de los hilos. La morfología de nanoescala 1D (unidimensional) y la proporción extremadamente elevada superficie respecto volumen hace que este cambio de conductancia sea mucho mayor para los detectores basados en nanohilos que para los FET (transistores de efecto campo) planos, aumentando la sensibilidad hasta un punto en que es posible la detección de moléculas individuales.

Por lo tanto, los transistores de efecto campo basados en nanohilos (NW-FET) se han reconocido en la década pasada como potentes nuevos detectores potenciales para la detección de especies químicas y biológicas. Véase, por ejemplo, Patolsky et al., Analytical Chemistry 78, 426-4269 (26); Stern et al., IEEE Transactions on Electron Devices 55, 3119-313 (28); Cui et al., Science 293, 1289-1292(21); Patolsky ef al. Proceedings ofthe National Academy of Sciences ofthe United States of America 11, 1417-1422 (24).

Recientemente, se ha llevado a cabo un trabajo exhaustivo en el uso de dispositivos eléctricos de nanohilos para la detección multiplexada simultánea de múltiples especies biomoleculares de relevancia para el diagnóstico médico, tales como ADN y proteínas [Zheng et al., Nature Biotechnology 23, 1294-131 (25); Timko et al., Nano Lett. 9, 914-918 (29); Li et al., Nano Lett. 4, 245-247 (24)].

Generalmente, en una configuración NW-FET, el potencial de puerta controla la conductancia de canal para una tensión de fuente-drenador (VSD), y la modulación de la tensión de puerta (VGD) cambia la corriente fuente- drenador (ISD) medida. Para detectores de NW operados como FET, el mecanismo de detección es el efecto de apertura de campo de las moléculas cargadas en la conducción de portadores en el NW. En comparación con los dispositivos compuestos por materiales de tamaño micrométrico o materiales voluminosos, el aumento de sensibilidad de los nanodispositivos está estrechamente relacionado con las dimensiones reducidas y la mayor proporción superficie/volumen. Dado que la mayoría... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un dispositivo (1) que comprende un sustrato (12) y una pluralidad de nanohilos (11) depositados sobre dicho sustrato (12), al menos una parte de dicha pluralidad de nanohilos (11) comprende nanohilos (14) que tienen unido un primer resto funcional a los mismos y al menos otra parte de dicha pluralidad de nanohilos comprende nanohilos (16) que tienen unido un segundo resto funcional a los mismos, siendo diferentes dichos primer y segundo restos funcionales;

caracterizado por que:

cada uno de dichos primer y segundo restos funcionales se adaptan para ¡nteractuar con el explosivo que contiene nitro mediante la formación de un complejo de transferencia de carga, de modo que tras el contacto con una muestra que contiene un explosivo que contiene nitro, la pluralidad de nanohilos (11) exhibe un cambio detectable en una propiedad eléctrica, siendo indicativo dicho cambio de la presencia y/o cantidad de dicho explosivo que contiene nitro en dicha muestra, y siendo Indicativo además de la composición química del explosivo que contiene nitro,

en el que cada uno de dichos primer y segundo restos funcionales es Independientemente un resto donador de electrones y en el que la longitud de cada uno de dichos primer y segundo restos funcionales es menor de 2 nm.

2. El dispositivo (1) de la reivindicación 1, que comprende además un detector (18) construido y dispuesto para determinar dicho cambio en la propiedad eléctrica.

3. Un método para determinar la presencia y/o la cantidad de un explosivo que contiene nitro en una muestra, comprendiendo el método poner en contacto la muestra con un dispositivo (1) que comprende un nanohilo semiconductor (11) y un resto funcional unido a dicho nanohilo (11),

caracterizado porque:

dicho resto funcional interactúa con el explosivo que contiene nitro mediante la formación de un complejo de transferencia de carga, de modo que tras el contacto con una muestra que contiene el explosivo que contiene nitro, el nanohilo (11) exhibe un cambio detectable en una propiedad eléctrica, siendo indicativo dicho cambio de la presencia y/o cantidad del explosivo que contiene nitro en la muestra,

en el que dicho resto funcional es un resto funcional donador de electrones y en el que la longitud de dicho resto funcional es menor de 2 nm.

4. El método de la reivindicación 3, en el que dicho dispositivo (1) comprende además un detector (18) construido y dispuesto para determinar dicho cambio en la propiedad eléctrica.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 3 y 4, en el que dicho dispositivo comprende además un sustrato (12) sobre el que se deposita dicho nanohilo.

6. El método de la reivindicación 5, en el que dicho dispositivo (1) comprende una pluralidad de dichos nanohilos (11) que están depositados sobre dicho sustrato.

7. El método de la reivindicación 6, en el que dichos nanohilos (11) son básicamente idénticos o al menos una parte de dicha pluralidad de nanohilos comprende nanohilos (14) que tienen unido un primer resto funcional a los mismos y al menos otra parte de dicha pluralidad de nanohilos comprende nanohilos (16) que tienen unido un segundo resto funcional a los mismos, siendo diferentes dichos primer y segundo restos funcionales.

8. El dispositivo (1) o el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que la muestra es una muestra de fluido.

9. El dispositivo (1) o el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que la muestra es aire.

1. El dispositivo (1) o el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que la concentración del explosivo que contiene nitro en la muestra es inferior a 1 micromolar.

11. El dispositivo (1) o el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-1, en el que la longitud de dicho resto funcional es menor de 1,5 nm.

12. El dispositivo (1) o el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1-1, en el que dicho resto funcional se selecciona entre el grupo que consiste en alquilo C-mo, alquenilo Ci.1l arilo y cicloalquilo, estando cada uno sustituido con un grupo donador de electrones.

13. El dispositivo (1) o el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-12, en el que dicho resto funcional se selecciona entre el grupo que consiste en un heteroalicíclico y un heteroarllo, comprendiendo cada uno un heteroátomo que funciona como grupo donador de electrones.

14. Un sistema (12) que comprende un dispositivo (1, 122) como se describe en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes que está comunicado con una unidad central de procesamiento (124), siendo el sistema (12) para proporcionar la indicación de la presencia y/o cantidad de un explosivo que contiene nitro en un entorno de dicho dispositivo.

15. Un sistema de detección distribuido (2) que comprende:

una pluralidad de dispositivos de detección (1, 122, 22) como se describe en cualquiera de las reivindicaciones precedentes que se despliega sobre un área y se configura para producir señales de detección 1 en presencia de un explosivo que contiene nitro; y

una unidad central de procesamiento (24), que se comunica con cada uno de dichos dispositivos de detección (1, 122, 22) y se configura para procesar dichas señales y proporcionar la indicación de la presidencia, cantidad, ubicación y/o distribución de dicho explosivo que contiene nitro en dicha área.


 

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