Bằng cách sử dụng các hạt nano được thiết kế đặc biệt, một nhóm các nhà nghiên cứu Mỹ đã tăng cường khứu giác ở châu chấu một cách nhân tạo. Do Srikanth Singamaneni và Barani Raman tại Đại học Washington ở St Louis, phương pháp tiếp cận của các nhà nghiên cứu có thể dẫn đến một loại cảm biến hóa học sinh học mới.

Nhiều loài động vật khác nhau đã phát triển khứu giác vượt trội hơn rất nhiều so với chúng ta. Thậm chí ngày nay, các thiết kế mới nhất của cảm biến hóa học vẫn chưa bắt kịp độ nhạy của hệ thống khứu giác sinh học cũng như khả năng phân biệt giữa các chất khác nhau một cách tinh tế.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng khai thác những khả năng này trong các cảm biến hóa học sinh học. Ban đầu, nhóm của Singamaneni dự định thực hiện điều này với châu chấu, loài mang bộ máy khứu giác trong râu của chúng.

Sinh học làm công việc khó khăn

Raman giải thích: “Chúng tôi để sinh học thực hiện công việc khó khăn hơn là chuyển đổi thông tin về các hóa chất dạng hơi thành tín hiệu điện thần kinh”. “Những tín hiệu này được phát hiện trong râu của côn trùng và truyền đến não. Chúng tôi có thể đặt các điện cực vào não, đo phản ứng thần kinh của châu chấu với mùi và sử dụng chúng làm dấu vân tay để phân biệt giữa các hóa chất.”

Tuy nhiên, cách tiếp cận này nhanh chóng gặp khó khăn. Để không gây hại cho côn trùng, nhóm của Singamaneni nhận thấy chúng bị hạn chế nghiêm ngặt cả về số lượng điện cực mà chúng có thể sử dụng cũng như về khu vực mà chúng có thể được đặt. Cuối cùng, điều này có nghĩa là các tín hiệu thần kinh mà họ phát hiện được quá yếu để hệ thống có thể hoạt động như một cảm biến hóa học đáng tin cậy.

Để vượt qua thách thức này, các nhà nghiên cứu đã khám phá cách tăng cường tín hiệu thần kinh của châu chấu với sự trợ giúp của các hạt nano quang nhiệt, cực kỳ hiệu quả trong việc chuyển đổi ánh sáng thành nhiệt. “Nhiệt ảnh hưởng đến sự khuếch tán – hãy tưởng tượng việc thêm sữa lạnh vào cà phê nóng,” Raman nói. “Ý tưởng là sử dụng nhiệt do cấu trúc nano tạo ra để làm nóng cục bộ và tăng cường hoạt động thần kinh.”

Trong trường hợp này, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra xem nhiệt áp dụng cục bộ có thể được sử dụng như thế nào để kiểm soát sự giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh. Đây là những phân tử chịu trách nhiệm truyền tín hiệu điện giữa các tế bào thần kinh trong não.

Sáp nóng chảy

Để đạt được điều này, họ bắt đầu bằng cách bọc các hạt nano polydopamine quang nhiệt trong một lớp phủ silica xốp. Sau đó, họ trộn cấu trúc này với thuốc nhuộm chứa 1-tetradecanol. Loại thứ hai là chất rắn dạng sáp ở nhiệt độ phòng, nhưng tan chảy ở nhiệt độ chỉ 38 °C. Cuối cùng, họ nạp vào các cấu trúc nano một “hàng hóa” dẫn truyền thần kinh và tiêm chúng vào não châu chấu.

Để kiểm tra phương pháp của mình, nhóm nghiên cứu đã đặt các dãy điện cực ngẫu nhiên lên đầu châu chấu và theo dõi tín hiệu thần kinh của chúng khi chúng tiếp xúc với các mùi khác nhau. Khi phát hiện ra các tín hiệu thần kinh, nhóm nghiên cứu sẽ bắn tia laser cận hồng ngoại vào nơi xuất hiện tín hiệu.

Các hạt nano quang nhiệt hấp thụ ánh sáng cận hồng ngoại và điều này làm nóng 1-tetradecanol xung quanh lên trên điểm nóng chảy của nó – giải phóng chất dẫn truyền thần kinh của cấu trúc vào môi trường xung quanh ngay lập tức.

Tăng cường khứu giác

Với lượng chất dẫn truyền thần kinh dồi dào tạm thời, tín hiệu thần kinh của châu chấu tạm thời được khuếch đại lên gấp 10 lần. Điều này giúp cải thiện khứu giác của côn trùng và cũng thúc đẩy hoạt động thần kinh của châu chấu đến mức có thể đo chính xác hơn nhiều bằng điện cực của nhóm. mảng. Điều này xảy ra ngay cả khi các hạt nano không được đặt ở vị trí tối ưu.

Raman giải thích: “Nghiên cứu của chúng tôi trình bày một chiến lược chung nhằm tăng cường các tín hiệu thần kinh có thể đảo ngược tại vị trí não nơi chúng tôi đặt các điện cực”. Khi việc khuếch đại tín hiệu không còn cần thiết nữa, các phân tử dẫn truyền thần kinh dư thừa sẽ bị phân hủy đơn giản bởi các enzym tự nhiên. Về lâu dài, cấu trúc nano sẽ phân hủy sinh học, khiến châu chấu không hề hấn gì.

Các nhà nghiên cứu tin tưởng rằng phương pháp của họ có thể là một bước đi đầy hứa hẹn hướng tới một thế hệ cảm biến hóa học sinh học mới.

Raman giải thích: “Nó sẽ thay đổi cách tiếp cận thụ động hiện tại – nơi thông tin chỉ được đọc – thành cách tiếp cận chủ động, trong đó khả năng của các mạch thần kinh làm cơ sở xử lý thông tin được sử dụng đầy đủ”. Nếu đạt được, điều này sẽ vừa tăng cường độ nhạy của cảm biến hóa học vừa cải thiện khả năng phân biệt giữa các hóa chất khác nhau.

Nghiên cứu được mô tả trong Công nghệ nano tự nhiên.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-enhance-locusts-sense-of-smell/