Полупроводниковые газовые сенсоры с импульсным нагревом для детектирования низких (sub-ppm) концентраций летучих органических соединений (VOCs) в выдыхаемом воздухе и парогазовой смеси над биологическими объектами

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-00111

НазваниеПолупроводниковые газовые сенсоры с импульсным нагревом для детектирования низких (sub-ppm) концентраций летучих органических соединений (VOCs) в выдыхаемом воздухе и парогазовой смеси над биологическими объектами

Руководитель Румянцева Марина Николаевна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова полупроводники, высокодисперсные материалы, газовые сенсоры, пульсирующий нагрев, летучие органические соединения, анализ выдыхаемого воздуха, газовая хроматография, микробиота

Код ГРНТИ31.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку системы искусственного обоняния на основе высокочувствительных газовых сенсоров с пульсирующим нагревом для детектирования низких (sub-ppm) концентраций летучих органических соединений (VOCs) в выдыхаемом воздухе и парогазовой смеси над биологическими объектами. Периодическое изменение температуры чувствительного слоя позволит реализовать максимальную адсорбцию молекул при низкой температуре и полное взаимодействие с чувствительным слоем при высокой температуре, что обеспечит существенное повышение газовой чувствительности и увеличение воспроизводимости сенсорного отклика. Актуальность проблемы детектирования низких концентраций (ppt-ppb-ppm) паров летучих органических соединений (VOCs) в выдыхаемом воздухе обусловлена необходимостью неинвазивного определения биомаркеров, отражающих состояние желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), печени, легких, сердца и ряда других органов: короткоцепочечных жирных кислот (метановой (муравьиной) НСООН, этановой (уксусной) СН3СООН, пропановой (пропионовой) C2H5COOH, бутановой (масляной) C3H9COOH) и азотсодержащих соединений (аммиака NH3, триметиламина (CH3)3N, тримтиламин N-оксида (CH3)3NО). Это направление бурно развивается в медицинской науке последних лет и носит название метаболомного фингерпринтинга или дыхательной биопсии. С учетом уникальности метаболомного профиля каждого человека быстрый и доступный в клинике анализ биомаркеров выдыхаемого воздуха позволит как разрабатывать персонифицированные методы лечения многих заболеваний, так и мониторировать эффективность их лечения. Создание новых сенсоров и доступных приборов на их основе крайне важно не только для диагностики и лечения различных заболеваний, но и для разработки персонифицированных рекомендаций по здоровому образу жизни (ЗОЖ), здоровому, сбалансированному питанию, что лежит в основе профилактики основных неинфекционных заболеваний. В настоящее время существует ограниченное число методов на основе газовой хроматографии (GC-MS и GC-PID), позволяющих анализировать VOCs в диапазоне концентрации ppt-ppb-ppm. Перечисленные методы могут быть применены в специализированных аналитических центрах, анализ требует участия квалифицированного персонала и значительного времени. Полупроводниковые сенсоры являются относительно дешевыми миниатюрными устройствами, позволяющими детектировать VOCs в воздухе в реальном времени. Однако, несмотря на имеющийся прогресс, использование полупроводниковых сенсоров для детектирования VOCs, ограничено их недостаточно низким пределом обнаружения. Повышение чувствительности полупроводниковых сенсоров является актуальной задачей, решение которой позволит использовать сенсоры для детектирования VOCs для медицинской диагностики. Решение поставленных задач требует проведения комплекса междисциплинарных исследований на стыке: неорганической, физической, аналитической химии, физики полупроводников, инженерных наук, фундаментальной медицины. Практическая значимость и масштабность проекта обусловлены необходимостью развития и широкого внедрения сертифицированных методов и приборов мониторинга концентраций VOCs для персонифицированной медицины. Проект будет выполнен путем интеграции взаимодополняющих технических возможностей и знаний научных групп химического факультета, факультета фундаментальной медицины и НИИЯФ МГУ имени М.В. Ломоносова при поддержке клиницистов Медицинского научно-образовательного центра (МНОЦ) МГУ, Национального медицинского исследовательского центра кардиологии МЗ РФ, клиники пропедевтики внутренних болезней Сеченовского медицинского университета под руководством главного гастроэнтеролога МЗ РФ , академика В.Т. Ивашкина. Новизна проекта состоит в идее использования пульсирующего нагрева, создании полупроводниковых материалов с повышенной специфической чувствительностью к целевым группам VOCs, алгоритма обработки сенсорных сигналов для детектирования низких концентраций паров органических соединений в воздухе, в разработке устройства для отбора альвеолярного воздуха человека, разработке подходов к микросорбционному извлечению и концентрированию целевых аналитов из парогазовой смеси отобранного альвеолярного воздуха с последующим их анализом методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии. В ходе выполнения проекта будут решены следующие основные задачи: 1. Синтез высокодисперсных полупроводниковых материалов с повышенной специфической чувствительностью к целевым группам VOCs: короткоцепочечным жирным кислотам и органическим аминам, являющихся биомаркерами состояния и состава микробиоты кишечника. Материалы будут синтезированы с использованием методов: пламенного пиролиза металлорганических прекурсоров, электроформирования из полимерных растворов (электроспининга) и гидротермального синтеза. Выбор матрицы будет сделан на основании кислотных свойств полупроводникового оксида и характеристик детектируемых молекул. Химическое модифицирование поверхности материалов каталитическими кластерами позволит повысить реакционную способность чувствительного слоя в процессах, отвечающих за формирование сенсорного отклика. 2. Исследование материалов будет проведено на уровне, соответствующему мировому. Кристаллическая структура будет определена методом рентгеновской дифракции. Состав будет определен методами локального рентгеноспектрального анализа, рентгенофлуоресцентного анализа и ICP-MS. Микроструктура модифицированных материалов будет изучена методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (SEM, HRTEM, HAADF-STEM) с картированием состава. Состав поверхности будет исследован методами ИК и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). 3. Реакционная способность синтезированных материалов во взаимодействии с целевыми VOCs будет исследована на мировом уровне методами ИК спектроскопии (FTIR, DRIFT) и спектроскопии КР в условиях in situ и operando непосредственно в процессе взаимодействия сенсорного материала с целевым газом. 4. Подбор оптимального профиля рабочей температуры (пульсирующего нагрева) газового сенсора будет осуществлен с помощью алгоритмов машинного обучения на основе нейронных сетей, реализующих принцип обучения с подкреплением. 5. Исследование сенсорных свойств. Для всех синтезированных материалов будут проведены измерения основных сенсорных параметров при детектировании целевых VOCs в условиях пульсирующего нагрева и переменной влажности воздуха. 6. Разработка математических алгоритмов предобработки и анализа сенсорных сигналов. Акцент в предобработке сигналов сенсоров, работающих в режиме импульсного нагрева (в различных режимах модуляции рабочей температуры), будет сделан на статистическом анализе формы их отклика – зависимости электрического сопротивления от рабочей температуры в зависимости от состава анализируемого воздуха. Такой подход позволяет снизить влияние амплитудных эффектов – колебаний первичного сенсорного отклика, дрейфа базовой линии - на качество работы алгоритмов машинного обучения, используемых для селективного определения паров VOCs и калибровки устройств. 7. Разработка семплера выдыхаемого воздуха позволит производить забор только альвеолярного воздуха, наиболее точно отражающего концентрацию исследуемых метаболитов в крови. Подобный семплер позволит производить забор воздуха при условии, что концентрация кислорода в нем равна или ниже 14%. 8. Разработка методики анализа проб выдыхаемого воздуха и парогазовой смеси над биологическими образцами лабораторных животных методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии с предварительным микросорбционным концентрированием. Анализ VOCs в пробах выдыхаемого воздуха, полученных от лабораторных животных с моделями патологий ЖКТ и сердечно-сосудистой системы, а также в образцах выдыхаемого воздуха от пациентов с верифицированными диагнозами из клиник кардиологического и гастроэнтерологического профиля. Забор проб воздуха будет производиться с использованием разработанного семплера, изготавливаемого с использованием 3-D печати. 9. Работа завершится созданием лабораторных прототипов мультисенсорных систем и тестирования их параметров в лабораторных условиях при анализе VOCs в биологических объектах. Правильность определения целевых VOCs будет контролироваться методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Медведев О.С. РОЛЬ ВОДОРОДА И МЕТАНА МИКРОБИОМА ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ В ОБЕСПЕЧЕНИИ АНТИОКСИДАНТНОЙ ЗАЩИТЫ ОРГАНИЗМА Успехи современной биологии, Успехи современной биологии, 142(4):349–364, 2022 (год публикации - 2022)
10.31857/S004213242204007X

2. Платонов В.Б., Насриддинов А.Ф., Румянцева М.Н. Electrospun ZnO/Pd Nanofibers as Extremely Sensitive Material for Hydrogen Detection in Oxygen Free Gas Phase Polymers, Polymers, 14(17):3481, 2022 (год публикации - 2022)
10.3390/polym14173481

3. Куропаткина Т., Атякшин Д., Сычев Ф., Артемьева М., Самойленко Т., Герасимова О., Шишкина В., Гуфранов Х., Медведева Н., Ле Барон Т., Медведев О.С. Hydrogen Inhalation Reduces Lung Inflammation and Blood Pressure in the Experimental Model of Pulmonary Hypertension in Rats Biomedicines, Biomedicines 2023, том 11, вып. 12, номер статьи 3141. (год публикации - 2023)
10.3390/biomedicines11123141

4. Филатова Д.Г., Румянцева М.Н. Additives in Nanocrystalline Tin Dioxide: Recent Progress in the Characterization of Materials for Gas Sensor Applications Materials, Materials 2023, том 16, вып. 20, номер статьи 6733 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16206733

5. Эшмаков Р.С., Филатова Д.Г., Константинова Е.А., Румянцева М.Н. Effect of Manganese Distribution on Sensor Properties of SnO2/MnOx Nanocomposites Nanomaterials, Nanomaterials 2023, том 13, вып. 9, номер статьи 1437 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13091437

6. Платонов В.Б. Малинин Н.М., Васильев Р.Б., Румянцева М.Н. Room Temperature UV-Activated NO2 and NO Detection by ZnO/rGO Composites Chemosensors, Chemosensors 2023, том 11, вып. 4, номер статьи 227 (год публикации - 2023)
10.3390/chemosensors11040227

7. Сагитова А.С., Филатова Д.Г., Максимов С.В., Григорьев Ю.В., Кривецкий В.В., Румянцева М.Н. Sub-ppm short-chain fatty acids detection with La(III) modified SnO2 gas sensors Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 417, 15 October 2024, 136211 (год публикации - 2024)
10.1016/j.snb.2024.136211

8. Эшмаков Р.С., Шерстобитов А.В., Филатова Д.Г., Константинова Е.А., Румянцева М.Н. SnO2/MnOx composite systems as VOCs sensors: Influence of manganese chemical state and distribution on functional performances Materials Chemistry and Physics, Volume 328, 1 December 2024, 129992 (год публикации - 2024)
10.1016/j.matchemphys.2024.129992

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на разработку системы искусственного обоняния на основе высокочувствительных газовых сенсоров для детектирования низких (sub-ppm) концентраций летучих органических соединений (VOCs) в выдыхаемом воздухе и парогазовой смеси над биологическими объектами. Актуальность проблемы детектирования низких концентраций (ppt-ppb-ppm) паров летучих органических соединений (VOCs) в выдыхаемом воздухе обусловлена необходимостью неинвазивного определения биомаркеров, отражающих состояние желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), печени, легких, сердца и ряда других органов. Полупроводниковые сенсоры являются относительно дешевыми миниатюрными устройствами, позволяющими детектировать VOCs в воздухе в реальном времени. Однако, использование полупроводниковых сенсоров для детектирования VOCs, ограничено их недостаточно низким пределом обнаружения. Повышение чувствительности полупроводниковых сенсоров является актуальной задачей, решение которой позволит использовать сенсоры для детектирования VOCs для медицинской диагностики. В 2024 году работа по проекту включала следующие основные разделы: 1. Создание массивов сенсорных элементов на основе синтезированных материалов для детектирования короткоцепочечных жирных кислот и исследование их сенсорных свойств в газовых смесях, содержащих целевые аналиты и фоновые газы Н2, H2O, CO2. По результатам работ, проведенных в 2023 году, было установлено, что наиболее чувствительными к газам кислотной природы, в том числе короткоцепочечным жирным кислотам, являются материалы, содержащие модификаторы с окислительными свойствами и модификаторы основной природы. В связи с этим, для расширения номенклатуры материалов с повышенной чувствительностью к кислотным газам были дополнительно синтезированы и исследованы нановолокна ZnO/MOx, синтезированные методом электроспиннинга. Оксид цинка имеет меньшую кислотность, чем SnO2, модификаторы MOx (M = FeIII, CoII,III, NiII, GaIII) позволяют дополнительно регулировать как кислотные, так и окислительные свойства поверхности чувствительного материала. 2. Модификация режима пульсирующего нагрева сенсорных элементов и проведение долговременных измерений для формирования достаточного набора данных на образцах сравнения с различной концентрацией фоновых газов H2O, CO2 для последующего применения математических алгоритмов и обучения нейронных сетей. 3. Оптимизация условий воспроизводимого контролируемого отбора образцов альвеолярного воздуха у здоровых добровольцев. Определение объема выдыхаемого воздуха, идущего на сброс и не участвующего в формировании анализируемой пробы воздуха. Разработка подхода к оценке времени заполнения пакета альвеолярным воздухом посредством определения средней скорости выдоха конкретного человека-добровольца. 4. Оптимизация методики анализа методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии состава проб, собранных в пробоотборный пакет, а также для образцов парогазовой смеси над биологическими образцами. 5. Тестирование прототипов мультисенсорной системы, включающих различное количество сенсорных элементов на основе синтезированных материалов при детектировании короткоцепочечных жирных кислот при использовании источников микропотоков, а также на реальных образцах выдыхаемого воздуха и парогазовой смеси над биологическими объектами Сопоставление с данными газохроматографического анализа с масс-спектральным детектированием. Все запланированные на 2024 год работы полностью выполнены. Получены следующие основные результаты: 1. Синтезирована дополнительная серия чувствительных материалов – нановолокон ZnO/MOx; для синтезированных материалов получена информация о фазовом и элементном составе, кристаллической структуре, морфологии, размерах кристаллитов и пор, величине удельной площади поверхности. 2. Получена информация о сенсорных свойствах сформированных массивов сенсорных элементов на основе синтезированных материалов SnO2, SnO2/La2O3, SnO2/MnOx, ZnO/MOx в режиме пульсирующего нагрева в газовых смесях, содержащих целевые аналиты и фоновые газы Н2, H2O, CO2. 3. Разработаны и опробованы несимметричные модифицированные режимы пульсирующего нагрева сенсорных элементов. Выявлено, что причиной дрейфа характеристик сенсоров при долговременных измерениях в газовых средах с высокой влажностью и высоким содержанием СО2, отвечающих составу выдыхаемого воздуха, является отравление поверхности материалов карбонат-анионами. 4. Оптимизированы условия воспроизводимого контролируемого отбора образцов альвеолярного воздуха у здоровых добровольцев. Разработан и изготовлен электронный блок для определения объема выдыхаемого воздуха, идущего на сброс и не участвующего в формировании анализируемой пробы воздуха. Разработан подход к оценке времени заполнения пакета альвеолярным воздухом на базе определения средней скорости выдоха конкретного человека-добровольца. 5. Оптимизирована методика анализа с использованием хроматомасс-спектрометра с приставкой для статического парофазного анализа проб паровой фазы, над биологическими образцами – суспензиями образцов фекалий здоровых добровольцев. 6. Получены результаты тестирования прототипов мультисенсорной системы, включающих различное количество сенсорных элементов на основе синтезированных материалов SnO2, SnO2/La2O3, SnO2/MnOx, ZnO/MOx при детектировании КЖК при использовании источников микропотоков, а также на реальных образцах выдыхаемого воздуха здоровых добровольцев и парогазовой смеси над биологическими объектами. Сходство формы образа сенсорного отклика мультисенсорной системы, полученного при анализе реальных объектов, и образа, полученного при введении тестовой смеси, содержащей пропионовую кислоту, позволяет заключить, что разработанные сенсоры адекватно реагируют на присутствие КЖК в паровой фазе над реальными объектами и могут быть использованы для анализа. Величины сенсорного отклика при анализе реальных образцов коррелируют с содержанием КЖК, определенного в паровой фазе методом хромато-масс спектрометрии. https://msu.ru/news/novosti-nauki/khimiki-mgu-uluchshili-detektory-biomarkerov-iz-vydykhaemogo-vozdukha.html

Публикации

Возможность практического использования результатов
Основным результатом проекта является создание новых чувствительных материалов и полупроводниковых сенсоров, а также методик измерения, способных обеспечивать проведение анализа состава выдыхаемого воздуха и паровой фазы над биологическими объектами. Возможный социально-экономический эффект проекта связан с разработкой мультисенсорных систем искусственного обоняния - новых инструментов для неинвазивной медицинской диагностики.