Электронные носы

Ученые из Воронежского государственного университета инженерных технологий предложили новый подход к созданию многокомпонентных чувствительных покрытий «электронных носов» — газовых анализаторов. Исследователи смогли создать систему из трех сорбентов, чувствительных к органическим кислотам и аминам, так, что точность и эффективность применения новых сенсоров при диагностике пневмонии у телят оказались сопоставимыми с массивом из восьми сенсоров. Более компактные устройства можно применять для диагностики болезней и контроля качества пищи. О работе сообщила пресс-служба Российского научного фонда.
 
Работа газовых химических датчиков, или «электронных носов», заимствует принципы человеческого обоняния. В общем виде такие системы представляют собой основу (преобразователь), на которую наносят чувствительное покрытие. Оно избирательно взаимодействует с определенными летучими молекулами, выделяемыми  образцом, и меняет свои характеристики (заряд, проводимость, массу и прочее), что влияет и на свойства подложки, которые фиксируются измерительным прибором. Один сенсор может реагировать на какую-то группу химических соединений либо на конкретное вещество, и, в зависимости от задачи, в одном устройстве их может быть несколько — целый массив. Однако прибор оказывается неудобным в работе — например, когда нужно разместить его в технологической линии производства продуктов питания или встроить в носимый гаджет для отслеживания здоровья.
 
В своей новой работе исследователи создали новые чувствительные покрытия для пьезокварцевых химических газовых сенсоров, которые характеризуются быстрым откликом, широким диапазоном линейности сигнала, низкой стоимостью. Работа таких преобразователей основана на обратном пьезоэффекте — под действием электрического поля в кристалле кварца создаются механические колебания. Их частота меняется в зависимости от количества молекул, которые провзаимодействовали с чувствительным слоем. В поликомпозитных покрытиях авторы предложили комбинировать несколько сорбентов с разной избирательностью к определенным веществам и представили рекомендации, как сделать это эффективнее — учитывая их чувствительность к молекулам, массу, расположение друг относительно друга.
 
На основе полученных в ходе исследований математических уравнений авторы подобрали трехкомпонентное покрытие, реагирующее на содержание в газовой смеси органических кислот и аминов. Некоторые из них появляются в выдыхаемом воздухе и его конденсате при разных заболеваниях — например, большое количество кислот связано с воспалительными процессами в органах дыхания. Таким образом, авторы смогли определить различия в образцах конденсата выдыхаемого воздуха от здоровых телят и телят с признаками респираторных заболеваний (ринита, бронхита, пневмонии), и их выводы были подтверждены диагнозом ветеринаров. Также удалось диагностировать пневмонию на ранней, так называемой доклинический стадии, и достоверно сопоставить результат с тем, что показали микробиологические исследования. Интересно, что применение нового подхода к созданию трехкомпонентных покрытий сенсоров оказалось сопоставимо по точности и эффективности с результатами от массива из восьми сенсоров.
 
«Мы показали, что за счет сочетания нескольких сорбентов можно уменьшить число химических сенсоров, и не потеряется значимая аналитическая информация при работе с образцами. Предложенные сенсоры можно применять в устройствах для диагностики заболеваний или проверки качества пищевых продуктов. В дальнейшем мы планируем на основе предложенных принципов создать сенсоры для идентификации и определения патогенных и опасных микроорганизмов в сыром молоке и молочных продуктах», — рассказывает руководитель проекта Анастасия Шуба, доцент кафедры физической и аналитической химии факультета экологии и химической технологии ВГУИТ.
 
Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы на страницах журнала Sensors.