Nieuwe sensoren zijn gevoelig, selectief en goedkoop

De hoeveelheid glucose in het bloed van een suikerpatiënt, het nitraatgehalte van een afvalwaterstroom of de loodconcentratie in ons drinkwater.

Het zijn allemaal voorbeelden van analyses die ontelbare malen per dag, overal ter wereld moeten worden uitgevoerd. Veel van dit soort bepalingen zijn echter nog altijd afhankelijk van relatief dure apparatuur, en wie dus in staat is om een selectieve, gevoelige en toch goedkope sensor te ontwikkelen, kan rekenen op veel belangstelling. Kortgeleden verschenen twee artikelen waarin onderzoekers zo'n sensor presenteren. Hoewel ze op totaal verschillende principes berusten, lijken ze beide te voldoen aan alle drie genoemde voorwaarden. Bovendien zijn ze beide zeer veelzijdig en kunnen ze voor de analyse van een groot aantal verschillende stoffen worden gebruikt (Science, 31 oktober, Nature, 23 oktober).

Een groep (bio)chemici van de universiteit van Californië in San Diego en het nabijgelegen Scripps Institute maakt gebruik van geëtst silicium. Door een wafer waar normaal gesproken computerchips van gemaakt worden met zuur te behandelen, ontstaat een ruw oppervlak, opgebouwd uit talloze kleine siliciumpilaartjes van verschillende lengte. Wanneer deze met een gewone lichtbundel worden beschenen, zullen de stralen voor een deel aan de bovenkant worden teruggekaatst en voor een deel doordringen tot de bodem om daar te worden teruggekaatst. Dit geeft aanleiding tot interferentiepatronen. Door het silicium te voorzien van speciale receptoren, werd het gevoelig voor één bepaald soort moleculen of ionen. Als deze aan de receptor binden, veranderen de optische eigenschappen van het silicium, wat tot uitdrukking komt in een verschuiving van het interferentiepatroon. Dit kan met een grote gevoeligheid worden gemeten. Op een sensoroppervlak van één vierkante millimeter kon zo bijvoorbeeld 0.01 picogram DNA worden aangetoond.

Aan de universiteit van Pittsburg deed men het anders. Daar werd een speciale gel gebruikt, een sponsachtig, polymeer netwerk. Dit omsluit een regelmatige, bijna kristallijne stapeling van geladen, honderd nanometer grote polystyreenbolletjes. Deze bevinden zich op zodanige afstanden van elkaar dat er diffractie optreedt: het oorspronkelijk witte licht wordt opgesplitst in zijn verschillende kleuren. De gel is nu met behulp van specifieke chemische groepen geschikt gemaakt om bepaalde stoffen te binden. Er is daarbij voor gezorgd dat er, wanneer het te analyseren molecuul of ion is 'gevangen', een netto lading wordt gevormd. Deze verstoort de ladingsverdeling van de bolletjes, waardoor deze een andere positie ten opzichte van elkaar aannemen. Daardoor treedt er een verandering op in de kleur van het licht dat door de gel in een bepaalde richting wordt verstrooid. Deze kleurverandering is een directe maat voor de concentratie van het gebonden molecuul. Met deze methode werden onder andere lood- en glucoseconcentraties bepaald.

In een commentaar in Science worden beide ontwikkelingen gezien als een belangrijke stap vooruit ten opzichte van de huidige generatie sensoren.