De gouden standaard voor gasfasedetectie is gaschromatografie (GC) gekoppeld aan massaspectrometrie. Voor deze analyses heb je echter dure en complexe machines nodig. ‘Daarom ontwikkelen wij een GC die draagbaar, klein, licht van gewicht en een stuk goedkoper is, terwijl de prestaties er niet minder om zijn’, zegt Xudong (Sherman) Fan, hoogleraar Biomedische Technologie aan de University of Michigan. Met de huidige ‘draagbare’ GC’s moet je nog steeds ongeveer 15-30 kg meesjouwen, maar Fans versie weegt niet meer dan 4 kg. 

Wat is het nut van een draagbare GC? ‘Stel dat je een milieuwetenschapper bent en een monster wilt nemen uit een vervuild gebied’, legt Fan uit. ‘Je zou het sample dan weer helemaal terug moeten brengen naar het lab om het daar te analyseren. Dat kost geld en tijd. Maar als je ter plekke een meting zou kunnen doen, zou dat heel voordelig zijn.’ Fan en zijn team ontwierpen hun huidige draagbare GC met targetanalyse in gedachten. ‘Onze machine kan complexe scheidingen doen, maar blinkt uit als je op zoek bent naar specifieke targetmoleculen in plaats van dat je elk molecuul in een monster zou willen scheiden.’ 

‘We zijn het prototypestadium ver voorbij’ 

In een publicatie in het tijdschrift Microsystems & Nanoengineering laat het team zien dat ze binnen enkele minuten een mengsel van veertig moleculen kunnen scheiden. ‘Maar we kunnen meer, ik denk dat we wel tot honderd kunnen gaan zonder gevaar voor co-elutie’, zegt Fan. ‘In het artikel ging het om alkanen, aromaten en andere gangbare laboratoriummoleculen, hoewel we theoretisch bijna elke verbinding kunnen scheiden, afhankelijk van welke scheidingskolom we gebruiken.’ 

Integratie 

Op basis van de eigenschappen van de moleculen die je wilt scheiden, heb je andere chromatografiekolommen nodig, aangezien daar de scheiding plaatsvindt. ‘We streven naar een plug-and-play-versie, waarbij je elk onderdeel van de draagbare GC kunt aanpassen aan je behoeften.’ Nu al heeft het systeem een zeer modulair karakter. Het heeft twee kolommen, zodat je 2D-gaschromatografie kunt doen. ‘Maar die mogelijkheid heb je niet altijd nodig, dus hebben we het zo ontworpen dat je kunt kiezen of je 1D- of 2D-scheiding wilt.’

Het meest uitdagende deel van het project was de integratie van alle benodigde componenten. Fan: ‘Een GC bestaat uit veel onderdelen. Idealiter zou je ze allemaal in één chip willen hebben, iets waar we nog aan werken. Maar de GC uit de publicatie heeft al een geïntegreerde modulator en een tweedimensionale kolom.’ De integratie van alle onderdelen zal de kosten van GC’s aanzienlijk verlagen. De huidige GC/MS-machines kunnen tot $150.000 kosten, maar Fan wil zijn versie produceren voor minder dan $1000.  

De 2D GC bestaat uit twee kolommen, een pneumatische modulator en twee micro-foto-ionisatie detectoren (µPID’s). ‘De detectoren zijn een belangrijk onderdeel van het GC-systeem’, zegt Fan. ‘PID’s gebruiken vacuüm uv-licht om moleculen te ioniseren. Het grote voordeel van PID’s ten opzichte van andere detectoren is dat deze methode vrijwel niet destructief is; het vernietigt je molecuul niet, wat essentieel is wanneer je het monster naar de tweedimensionale kolom wilt sturen voor verdere analyse.’  

Toekomstige stappen 

Fan is er zeker van dat het draagbare 2D GC-systeem potentie heeft voor commercialisering. ‘Alle componenten kun je al massaal produceren en assembleren. Het Technology Readiness Level is zeer hoog, we zijn het prototypestadium ver voorbij.’ De groep heeft al enkele samenwerkingsverbanden met collega’s en onderzoekt samenwerkingsverbanden met industriële partners. 

Intussen hebben Fan en zijn collega’s GC’s gemaakt die nog kleiner zijn dan de huidige. ‘Omdat er veel ruimte in de doos zit, konden we hem verkleinen tot een handzame versie van slechts 1,5 kilogram en 1 liter in volume’, zegt Fan. ‘En we hebben er een gemaakt die nóg kleiner is, die je in een zak of aan een riem kunt dragen, waarover we later dit jaar zullen publiceren.’ Maar de huidige versie is al bruikbaar voor veldstudies. ‘We hopen dat ons miniatuursysteem de gemeenschap helpt om nog kleiner en efficiënter te gaan werken.’