Российские ученые разработали простые в производстве и чувствительные датчики для определения содержания кальция в сложных растворах, включая морскую воду и кровь. Используемые сегодня аналоги либо недостаточно точны и неудобны в применении, либо отличаются высокой стоимостью. Концентрация кальция — важный маркер в различных сферах, от молочной промышленности и экологического мониторинга до медицины, где анализ этого показателя регулярно назначается при сердечно-сосудистых и других заболеваниях. По оценке экспертов, новая технология позволит существенно снизить стоимость подобных исследований.
Простые датчики кальция
Специалисты ИТМО разработали компактные, недорогие и чувствительные датчики для определения ионов кальция в сложных средах, включая морскую воду, молоко и кровь. Устройства просты в использовании и могут применяться в там, где проведение традиционных лабораторных исследований затруднено, например в полевых условиях. Кроме того, технология позволяет отказаться от сложной предварительной подготовки проб, которая сейчас требуется при ряде медицинских анализов, в том числе при диагностике сердечно-сосудистых заболеваний.
— Определение кальция — важная задача. Во-первых, это необходимо для постоянного экологического мониторинга, так как это вещество — один из основных катионов морской воды, ключевой для формирования карбоната кальция у кораллов, моллюсков и планктона. От его доступности и баланса с карбонатной системой зависят рост скелетов и устойчивость рифов при океанической кислотности. Во-вторых, это важно для встроенного контроля качества продуктов питания прямо в производственных линиях. Для медицинских целей баланс кальция и магния в крови служит важным маркером здоровья человека, определяющим качество и продолжительность его жизни, — рассказал руководитель исследования, ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Евгений Смирнов.
Источник: ITMO NEWS/Дмитрий Григорьев
Сейчас для измерения этого параметра в основном применяют стандартные электроды из металла (например, платины) или из углерода, однако часто такие устройства обладают низкой чувствительностью и могут работать недостаточно точно из-за примесей других веществ. Другой вариант — создавать сенсоры с помощью сложных структур на основе наночастиц, полимеров и других материалов. Но они требуют сложной и дорогостоящей модификации.
В ИТМО разработали новый вид сенсоров с максимально простой конструкцией на основе MXene — двумерного материала из карбида титана. Его размер не превышает 1 см в длину и 3–4 мм в толщину. Благодаря своему составу и размеру датчики обладают высокой чувствительностью. Для обнаружения кальция достаточно 100 микролитров — это всего несколько капель жидкости. При этом большинство аналогов обладают более крупными размерами, за счет чего им требуется больший объем жидкости для анализа.
Применение в разных сферах
Ученые представили два образца электродов: твердый на стеклянной подложке и гибкий, напечатанный на пластике. Первый подойдет для проведения лабораторных тестов, а второй можно применять в носимой электронике, устройствах интернета вещей и других областях. В будущем аналогичные датчики можно будет размещать на бумаге и текстиле. Оба типа сенсоров избирательно и точно определяют ионы кальция в растворе. При этом посторонние ионы практически не влияют на результат.
Источник: ITMO NEWS/Дмитрий Григорьев
— В своей работе мы показали, что MXene — это перспективный материал для нового поколения недорогих, гибких и высокочувствительных сенсоров. Наши датчики можно адаптировать для обнаружения любых других ионов — для этого достаточно поменять мембрану. За счет миниатюрного размера разработка будет интересна коммерческим заказчикам, например производителям фильтров для воды и пищевым производствам, — рассказал Евгений Смирнов.
По мнению директора Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгения Александрова, новые датчики могут найти применение в самых разных сферах.
— Такая технология нужна, например, при реализации концепций потребления интернета вещей, экологического мониторинга и телемедицины. Стоимость анализа в лаборатории весьма высокая. Предлагаемые сенсоры смогут сделать его доступнее, если, например, продавать их через аптеки. Можно сделать предварительную пробу и только при отклонении обращаться в специализированное учреждение для устранения гиперкальциемии или гипокальциемии. Для удаленных территорий бывает важно определить жесткость воды (содержание кальция и магния), чтобы выбрать наиболее полезный источник, — полагает специалист.
В медицинской практике анализ на кальций необходим при большом количестве патологий, добавил научный сотрудник Института изучения старения Российского геронтологического научно-клинического центра Пироговского университета Михаил Болков.
— Нормальный уровень кальция в организме важен для правильной работы костей, сердца и мышц. Это вещество влияет и на гормоны. У пациентов в возрасте связано с остеопорозом. Медики назначают этот анализ регулярно, — рассказал он «Известиям».
Источник: ITMO NEWS/Дмитрий Григорьев
В ближайшем будущем авторы планируют сделать инструмент для мультиплексного анализа ионов, который позволит с одной капли детектировать ионы различных веществ: натрия, калия, аммония, кальция, магния, йода, хлора и других. Ученые ожидают, что система подойдет для растворов с содержанием вещества от 0,1 моля на литр (концентрированный раствор, сравнимый с рассолом) до 0,00001 моля (сильно разбавленный раствор на порядок ниже физиологических концентраций.
Исследование поддержано Российским научным фондом.
