Диагноз по графеновой пленке

Ученые 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: 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.

Научная группа разработчиков сенсора. Слева направо: Артем Иванов (ИФП СО РАН), Марина Шавелкина (ОИЯИ), Ярослав Растяпин (ИФП СО РАН), Ирина Антонова (ИФП СО РАН)

Надежда Дмитриева / ИФП СО РАН

Сверхчувствительное устройство

Небольшие медицинские устройства, которые можно закрепить на теле и носить постоянно, позволяют в реальном времени отслеживать состояние пациентов с разными заболеваниями, связанными с нарушениями работы сердца, повышением глюкозы в крови, астмой и другими.

Однако 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. Но 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 из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) и Объединенного института высоких температур РАН (Москва) разработали датчик на основе графена и полимера, который с высокой точностью анализирует химический состав выдыхаемого воздуха.

Устройство 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.

Один из разработчиков сенсора, научный сотрудник ИФП СО РАН Артем Иванов, показывает динамику изменения сигнала на разных типах сенсора

Ирина Антонова / ИФП СО РАН

Считывать только «нужные» сигналы

С 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. В перспективе это 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. Пока созданы только первые лабораторные образцы, а для полностью готового пользовательского устройства еще предстоит пройти несколько важных этапов», — рассказывает руководитель проекта Ирина Антонова, доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур Института физики полупроводников.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) и правительством Новосибирской области, опубликованы в журнале Sensors and Actuators A: Physical.

По материалам пресс-службы РНФ