ChIMES: Kostengünstige magnetoelastische Sensoren für präzise chemische Identifikation

Eine kostengünstige Sensortechnologie, genannt Chemical Identification by Magneto-Elastic Sensing (ChIMES), verwendet Target Response Materials (TRMs) als Aktuatoren in magnetoelastischen (M-E) Sensoren (Abbildung 1).

TRMs können aus vielen Klassen chemischer und biochemischer Verbindungen stammen, mit vielen Selektivitätsgraden. TRMs mit starker Affinität für spezifische Ziele können einzeln verwendet werden, während TRMs mit verteilter Selektivität zu Arrays gebildet werden können, bei denen ein künstliches neuronales Netzwerk oder andere KI-basierte Tools für Analyse und Interpretation eingesetzt werden. Die magnetoelastischen Komponenten sind amorphe ferromagnetische Legierungen mit hoher Permeabilität und sehr niedriger Koerzitivität. Wenn ein TRM auf ein Ziel trifft, übt es Kräfte aus, die die magnetischen Eigenschaften der Legierung so verändern, dass sie mit einem Anregungs-Detektions-Spulenset detektiert werden können.

ChIMES umfasst ein ferromagnetisches Metall und ein molekulares Erkennungsreagenz, das an das ferromagnetische Metall gekoppelt ist. Das molekulare Erkennungsreagenz ist so beschaffen, dass es sich bei Exposition gegenüber Dampf oder Flüssigkeit des Zielmaterials ausdehnt, sodass das molekulare Erkennungsreagenz die Zugspannung auf das ferromagnetische Metall ändert. Das Zielmaterial wird basierend auf Änderungen in den magnetischen Schaltcharakteristiken des ferromagnetischen Metalls detektiert, die durch die Änderungen der Zugspannung verursacht werden.

Der Sensor kann alles detektieren, für das TRMs identifiziert oder entwickelt werden können. Er ist fähig zu ungebundener Kommunikation durch eine nicht-metallische oder dünn metallische Barriere. ChIMES kann miniaturisiert werden und ist energieeffizient genug für den Betrieb mit onboard Batterien. Form, Größe und Erscheinung können an einen spezifischen Bedarf angepasst werden. ChIMES eignet sich sowohl für offene als auch verdeckte Anwendungen und kann mehrere variable Ziele gleichzeitig mit modularen TRMs detektieren. Der Sensor ist viel günstiger als Techniken wie Gaschromatographie.

Anwendungen für ChIMES umfassen Sprengstoffe oder Taggants; chemische und biologische Kampfstoffe und Vorstufen oder Nebenprodukte ihrer Herstellung; ausgeatmete Gaskonstituenten für Gesundheitsdiagnostik und Drogendetektion; toxische Industriechemikalien und -materialien; Lebensmittelfrische und -sicherheit; flüchtige organische Verbindungen; und andere luft- und wassergetragene Schadstoffe.