Ученые Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) и Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН) разработали датчик на основе графена и полимера, способный в режиме реального времени анализировать состав выдыхаемого человеком воздуха. Прибор выявляет предельно малые (следовые) количества ацетона и других молекул — маркеров хронических заболеваний, например, сахарного диабета, сердечной недостаточности и других. Устройство состоит из тонкой пленки, напечатанной на обычной офисной бумаге. Отклик сенсора позволит оценить состояние здоровья человека и необходимость консультации у врача. При этом возможность закрепить датчик на обычной медицинской маске делает его удобным при использовании в больницах, например, для непрерывного мониторинга дыхания во время операций. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) и Правительством Новосибирской области, опубликованы в журнале Sensors and Actuators A: Physical.
Небольшие медицинские устройства, которые можно закрепить на теле и носить без перерывов, позволяют в реальном времени отслеживать состояние пациентов с разными заболеваниями, связанными с нарушениями работы сердца, повышением глюкозы в крови, астмой и другими.
2D принтер, с помощью которого печатают сенсоры Артем ИвановОднако большинство таких устройств измеряют только физические параметры, такие как ритм дыхания, пульс, насыщение крови кислородом и давление. При этом есть не менее важные химические маркеры, которые могут указать на изменения в организме. Некоторые из них можно наблюдать при анализе состава выдыхаемого воздуха. Например, при диабете и некоторых болезнях сердца в выдохе повышается количество ацетона, а при проблемах с почками — уровень аммиака. Однако существующие датчики для анализа выдыхаемого воздуха, как правило, недостаточно чувствительны или сложны и доступны только в медицинских учреждениях. Поэтому разработка новых сверхчувствительных устройств особо актуальна.
Ученые ИФП СО РАН и ОИВТ РАН разработали датчик на основе графена и полимера, который с высокой точностью анализирует химический состав выдыхаемого воздуха.
Сенсор на медицинской маске, на графике показано изменение сигнала при выдохе Артем ИвановУстройство позволяет получить спектр (график), описывающий состав выдыхаемого воздуха, в котором ученые ранее выяснили положение пиков ацетона, воды, предположительно этилена. Высокая чувствительность датчика позволяет даже отслеживать простое повышение уровня глюкозы в крови после приема пищи, фиксируя время, за которое организм способен отработать эту нагрузку и вернуться к низким исходным значениям.
Когда на сенсорные элементы датчика попадал выдыхаемый воздух, их способность проводить ток менялась. Это связано с тем, что газы — водяной пар, ацетон, аммиак и другие — захватываются на поверхность датчика и облегчают прохождение тока. В результате на экране прибора наблюдаются спектры, описывающие такие изменения в зависимости от времени и химического состава воздуха.
Аспирант ИФП СО РАН, один из разработчиков сенсора, Ярослав Растяпин Артем ИвановС помощью нового датчика исследователи оценили химический состав выдыхаемого воздуха у 32 добровольцев, среди которых были здоровые люди, пациенты с диабетом и человек, перенесший инфаркт. Устройство выявило в спектрах выдыхаемого воздуха больных людей пик, соответствующий ацетону. При этом чувствительности датчика достаточно, чтобы определять минимальные количества этой молекулы, поэтому прибор будет полезен при ранней диагностике ряда хронических заболеваний.
«Нам удалось достичь высокой чувствительности измерений благодаря тому, что мы разработали новый наноструктурированный материал для датчиков. Более того, созданы разные по дизайну датчики, позволяющие контролируемо менять спектр захватываемых на поверхность молекул-маркеров. То есть 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 своего здоровья. Кроме того, датчик обладает низкой себестоимостью и прост в использовании. В настоящее время созданы только первые лабораторные образцы, а для полностью готового пользовательского устройства еще предстоит пройти несколько важных этапов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ирина Антонова, доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН.
Научная группа разработчиков сенсора Надежда Дмитриева