Ученые Института физики полупроводников имени Ржанова (ИФП СО РАН, Новосибирск) и Объединенного института высоких температур РАН (Москва) разработали прототип графенового датчика, который способен определять признаки заболеваний по составу выдыхаемого человеком воздуха. Результаты исследования опубликованы в международном рецензируемом журнале Sensors and Actuators A: Physical.
Новая технология относится к классу так называемых «электронных носов» — устройств, которые распознают летучие молекулы-биомаркеры и связывают их с определенными патологиями.
Как работает графеновый сенсор
В выдыхаемом воздухе человека содержатся сотни и даже тысячи органических соединений — кетоны, спирты, альдегиды и другие продукты метаболизма. Их концентрация может отражать состояние отдельных органов и сигнализировать о диабете, заболеваниях легких, желудочно-кишечного и гепатобилиарного тракта или онкологических процессах. Однако традиционные методы анализа требуют сложного лабораторного оборудования и длительной подготовки проб.
В основе разработки лежит чувствительный слой на базе графена — двумерного углеродного материала с высокой проводимостью и большой площадью поверхности. При взаимодействии с молекулами биомаркеров свойства материала меняются, что фиксируется электроникой и позволяет распознавать состав дыхания.
Подобные «электронные носы» могут включать набор сенсоров, каждый из которых реагирует на отдельные соединения. В результате система формирует характерный «химический отпечаток» дыхания пациента, который затем сопоставляется с известными признаками заболеваний.
Исследователи отмечают, что главная сложность — высокая влажность выдыхаемого воздуха. Водяной пар способен «забивать» чувствительные элементы и снижать точность измерений, поэтому разработчики рассматривают методы предварительного осушения или разделения компонентов дыхательной смеси.
Перспективы неинвазивной диагностики
Технология открывает возможность создавать компактные приборы для экспресс-скрининга прямо в кабинете врача или даже дома. Анализ дыхания считается одним из наиболее перспективных неинвазивных методов диагностики, поскольку не требует забора биоматериала и может проводиться многократно.
Дополнительный интерес к технологии подтверждают и зарубежные разработки: например, сенсоры на основе графена способны выявлять диабет по уровню ацетона в выдохе всего за несколько минут.
Нам удалось достичь высокой чувствительности измерений благодаря новому наноструктурированному материал для датчиков. Созданы разные по дизайну датчики, позволяющие контролируемо менять спектр захватываемых на поверхность молекул-маркеров. Каждый датчик считывает только «нужные» сигналы, которые могут указать на заболевания. Это в перспективе позволит пациентам с подозрениями на хронические болезни даже в домашних условиях контролировать состояние здоровья.
Ирина Антонова
Руководитель проекта отметила, что датчик обладает низкой себестоимостью, надежен и прост в использовании. В настоящее время созданы только первые лабораторные образцы, а для полностью готового пользовательского устройства еще предстоит пройти несколько важных этапов.
Имя Ирины Антоновой не впервые появляется на страницах Hi-Tech Mail. Еще в 2018 году мы рассказали о ее разработке, также связанной с печатью нанопленок графена.
Источник: hi-tech.mail.ru