Сенсоры из «умных» материалов: как это работает

Уникальные сенсоры для проведения экспресс-анализов создают ученые УрФУ

Одна из разработок лаборатории — портативная электрохимическая платформа, предназначенная для выявления аналитов

Молодые ученые из лаборатории сенсорных технологий УрФУ разрабатывают портативные устройства для экспресс-анализа на основе уникальных синтетических аналогов биологических рецепторов

В лаборатории сенсорных технологий в эко-, био-, фарммониторинге Уральского федерального университета работают над созданием сенсоров для определения широкого круга клинически-значимых показателей, пищевых добавок и экотоксикантов. Это портативные устройства, позволяющие проводить внелабораторные экспресс-анализы. Важно, что сенсоры для таких устройств разрабатываются на основе оригинальных органических молекул.

— Проводимые в нашей лаборатории исследования носят как фундаментальный, так и прикладной характер. Мы изучаем свойства новых молекул, характер их изменения при взаимодействии с определяемыми компонентами проб — аналитами. Есть давно известные молекулы биологического происхождения (антитела, антигены, фрагменты ДНК), традиционно используемые в качестве чувствительных элементов сенсоров. Мы предлагаем более надежные, но в то же время сравнимые по чувствительности и селективности синтетические аналоги. В Екатеринбурге очень сильная школа химиков-органиков, коллеги регулярно синтезируют молекулы и предоставляют нам материал для исследований, — сообщила журналу «Эксперт-Урал» ведущий научный сотрудник лаборатории сенсорных технологий в эко-, био-, фарммониторинге УрФУ Татьяна Свалова. — Часть оригинальных молекул обладают выраженной биологической активностью и впоследствии становятся лекарствами. Другие относятся к категории функциональных, или «умных», материалов, поскольку обладают заданными или настраиваемыми свойствами. Мы реализуем комплексный подход к изучению и тех и других и применяем их в конструкциях портативных сенсорных устройств.

Инновации на молекулярном уровне

Ученые УрФУ исследуют новые материалы на основе синтезированных оригинальных молекул на предмет их способности взаимодействовать с определенными аналитами — различными соединениями, которые очень важно находить в биологических жидкостях, пищевых продуктах, объектах окружающей среды. Обнаруженные свойства и принципы межмолекулярного взаимодействия закладываются в работу соответствующих сенсоров, которые являются основой портативных устройств для экспресс-анализа.

Чем синтетические аналоги биологических рецепторов лучше традиционных и давно используемых в сенсорах? «В первую очередь они стабильнее, мы обеспечиваем тем самым надежность аналитических характеристик, — отвечает Татьяна Свалова. — Например, типичный глюкометр представляет собой ферментный датчик, в котором используются биологические рецепторы — ферменты. Но у всех биологических распознающих элементов есть главный недостаток — невысокая стабильность, определенные требования к хранению и транспортировке и т.д. Иначе характеристики сильно меняются. Кроме того, использование синтетических аналогов в ряде случаев позволяет проводить анализ дешевле и быстрее. Так, стандартный иммуноферментный анализ (например, для определения уровня гормонов) занимает в среднем три часа. А мы можем сделать этот анализ в течение получаса».

Также в лаборатории определяют некоторые пищевые контаминанты — вещества, которые непреднамеренным образом попадают в пищевые продукты. От их выявления зависит здоровье людей.

— Например, нами создан лабораторный прототип вольтамперометрического сенсора для определения токсичных веществ в продуктах пчеловодства, — рассказала Татьяна Свалова. — Дело в том, что недобросовестные пчеловоды, чтобы избежать болезни пчел, обрабатывают ульи средствами, содержащими нитробензол — долгоживущий токсикант, который может попасть в мед и негативно повлиять на здоровье потребителей. Его длительное воздействие может вызвать серьезное повреждение центральной нервной системы, печени или почек, ухудшить зрение.

Кроме того, в лаборатории разработали сенсоры для экспресс-анализа гормонов и биогенных аминов, портативное устройство для определения вирусной и бактериальной природы заболеваний, сенсоры для экспресс-анализа пестицидов. Все разработки лаборатории сенсорных технологий запатентованы. Портативные устройства для экспресс-анализов востребованы в здравоохранении, службе санитарного надзора, службе экологического мониторинга, на таможне.

На сегодняшний день ученые УрФУ разработали порядка 10 лабораторных прототипов портативных сенсорных устройств. Например, по результатам работы коллектива кафедры Аналитической химии ХТИ УрФУ был разработан и выведен на рынок электрохимический анализатор «Эльсенс-ЭКО», предназначенный для экспресс-анализа тяжелых металлов в водных средах.

Уральский федеральный университет намерен сотрудничать с индустриальным партнером в части разработки и производства первого отечественного сенсора для измерения уровня глюкозы в межклеточной жидкости в полуавтономном режиме, который впоследствии может быть интегрирован с инсулиновой помпой. «На российском рынке присутствуют такие устройства, но только иностранных производителей. У нас есть научный задел, который позволяет выполнить эту работу», — отметила Татьяна Свалова.

Вовлечение в науку

В лаборатории работают 10 сотрудников. Также здесь проводят научные работы большое количество студентов. «Студенческие работы мы стараемся включать в наши большие исследовательские проекты. Стремимся поддерживать всех заинтересованных студентов и аспирантов. На это настроена, в частности, государственная программа «Приоритет 2030», по которой мы работаем. Одна из ее задач — вовлечь молодых исследователей в научную деятельность. Это стипендии, различные гранты и собственно включение в штат», — пояснил заместитель заведующего лабораторией сенсорных технологий в эко-, био-, фарммониторинге УрФУ Андрей Охохонин.

По его словам, лаборатория оснащена на мировом уровне всем необходимым оборудованием для проведения фундаментальных и прикладных исследований. Благодаря программе развития университета «Приоритет 2030» здесь постоянно обновляется приборная база, приобретаются расходные материалы. Оборудование американское, европейское, китайское, но есть и приборы отечественного производства. Кроме того, в университете функционируют лаборатории коллективного пользования, где также проводятся исследования.

«Всегда есть куда стремиться и куда расти. Приборная база и научный задел позволяют развиваться дальше, приносить пользу для нашего университета, региона, страны», — резюмирует Андрей Охохонин.         

Фото предоставлено пресс-службой УрФУ