Ученые МГУ усилили чувствительность сенсоров биомаркеров в выдыхаемом воздухе
Чувствительность полупроводниковых газовых детекторов к характеризующим работу кишечника биомаркерам, содержащимся в выдохе пациента, увеличили сотрудники лаборатории химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов химфака МГУ, 22 августа сообщает пресс-служба университета.
Ученым удалось добиться усиления чувствительности таких датчиков к короткоцепочечным жирным кислотам, содержащимся в выдыхаемом человеком воздухе, что увеличивает перспективность соответствующей неинвазивной диагностики состояния здоровья пациента.
Биомаркерами, содержащимися в выдыхаемом воздухе и связанными с показателями здоровья и работоспособности человека, могут служить, например, ацетон, формальдегид, этанол и другие летучие органические соединения в выдохе.
О предмете проведенного исследования рассказала его руководитель, профессор кафедры неорганической химии химфака МГУ Марина Румянцева:
«В последнее десятилетие большое внимание уделяется исследованию роли короткоцепочечных жирных кислот в возникновении различных заболеваний. Эти кислоты известны в качестве важнейших продуктов метаболизма кишечной микробиоты. Согласно последним медицинским исследованиям, увеличение их производства в кишечнике — способ профилактики желудочно-кишечных дисфункций, ожирения и сахарного диабета второго типа».
Отсюда вытекает задача мониторинга уровня этих биомаркеров в выдыхаемом воздухе, который может служить неинвазивным методом контроля эффективности назначенного лечения или соблюдения пациентом диеты.
Анализаторами выдыхаемого воздуха в этом случае могут стать недорогие, миниатюрные и высокочувствительные полупроводниковые газовые сенсоры на основе оксидов металлов. Поскольку при взаимодействии молекул газов с поверхностью такого полупроводника происходит изменение его проводимости, оно может служить сенсорным сигналом.
Диоксид олова является наиболее хорошо изученным и чувствительным материалом для таких сенсоров. Но для анализа выдыхаемого воздуха необходимо было увеличить его чувствительность к целевым биомаркерам.
«Для увеличения чувствительности по отношению к кислотам мы решили уменьшить льюисовскую кислотность материалов, — сообщила первый автор исследования, аспирантка кафедры неорганической химии Алина Сагитова. — Мы синтезировали ряд веществ на основе диоксида олова, модифицированного соединениями лантана. В качестве модифицирующей добавки выбрали лантан, поскольку оксид лантана обладает меньшей кислотностью по сравнению с диоксидом олова».
Исследователи изучили сенсорные свойства улучшенного материала по отношению к ряду неорганических газов и короткоцепочечных жирных кислот, которые показали сниженную по сравнению с диоксидом олова кислотность поверхности модифицированных материалов.
При этом было установлено увеличение чувствительности к газам с кислотными свойствами (короткоцепочечным жирным кислотам и сероводороду), но уменьшение сигнала при обнаружении аммиака, обладающего выраженными основными свойствами.
«Таким образом мы показали эффективность предложенной концепции для специфического увеличения сенсорного сигнала при обнаружении газов с кислотными свойствами, таких как короткоцепочечные жирные кислоты, — пояснила Марина Румянцева. — Из результатов работы видно, что полученные материалы способны детектировать кислоты в концентрациях ниже миллионных долей в воздухе, в том числе в условиях очень высокой влажности. Это делает сенсоры на их основе перспективными для определения данных биомаркеров в выдыхаемом воздухе с целью медицинского анализа».
Подробно проделанная учеными МГУ работа была описана в статье «Определение содержания короткоцепочечных жирных кислот ниже ppm с помощью модифицированных La (III) газовых датчиков SnO₂», опубликованной в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.
