Напечатанный на бумаге графеновый датчик выявляет диабет по выдоху
Ученые из Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН и Объединенного института высоких температур РАН создали сенсорную пленку из графена и полимера, которую можно печатать на обычной офисной бумаге с помощью 2D-принтера.
Источник: Надежда Дмитриева / ИФП СО РАН. Научная группа разработчиков сенсора. Слева направо: Артем Иванов (ИФП СО РАН), Марина Шавелкина (ОИЯИ), Ярослав Растяпин (ИФП СО РАН), Ирина Антонова (ИФП СО РАН).
МОСКВА, 17 апреля. /Новости науки/. Ученые разработали напечатанный на обычной бумаге датчик на основе графена и полимера, который способен в реальном времени анализировать состав выдыхаемого воздуха и выявлять следовые количества ацетона и других молекул — маркеров диабета, сердечной недостаточности и ряда других заболеваний, сообщает пресс-служба РНФ. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда и правительством Новосибирской области, опубликованы в журнале Sensors and Actuators A: Physical.
Сегодня носимые медицинские устройства умеют следить за пульсом, давлением, дыханием и уровнем кислорода в крови. Но такие приборы, как правило, оценивают только физические параметры. Между тем важную информацию о состоянии организма могут давать и химические маркеры. Часть из них можно обнаружить в выдыхаемом воздухе. Например, при диабете и некоторых сердечных заболеваниях в выдохе повышается уровень ацетона, а при нарушениях работы почек — аммиака.
Проблема в том, что существующие системы для анализа выдоха часто либо недостаточно чувствительны, либо сложны и используются в основном только в медицинских учреждениях. Поэтому создание компактных, дешевых и точных сенсоров для такого анализа считается особенно важной задачей.
Решение предложили ученые из Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН и Объединенного института высоких температур РАН. Они создали сенсорную пленку из графена и полимера, которую можно печатать на обычной офисной бумаге с помощью 2D-принтера.
Когда на поверхность такого датчика попадает выдыхаемый воздух, его электрические свойства меняются. Это происходит потому, что молекулы газов — водяного пара, ацетона, аммиака и других веществ — оседают на поверхности сенсора и влияют на прохождение тока. В результате прибор строит график, по которому можно судить о химическом составе выдоха.
Авторы отмечают, что ранее им удалось определить в таких спектрах положение пиков, соответствующих ацетону, воде и, предположительно, этилену. Причем чувствительность сенсора оказалась настолько высокой, что он позволяет отслеживать даже обычное повышение уровня глюкозы после еды и видеть, за какое время организм возвращается к исходным значениям.
Для проверки работы устройства исследователи проанализировали выдыхаемый воздух у 32 добровольцев. Среди них были здоровые люди, пациенты с диабетом и человек, перенесший инфаркт. У больных участников прибор выявил в спектрах характерный пик ацетона. Это говорит о том, что новый датчик может быть полезен для раннего выявления хронических заболеваний и наблюдения за их течением.
Еще одно важное преимущество разработки в том, что такой сенсор можно закрепить на обычной медицинской маске. Это делает его удобным не только для домашнего использования, но и для больниц — например, для непрерывного наблюдения за дыханием пациента во время операций или в палатах интенсивной терапии.
«Нам удалось достичь высокой чувствительности измерений благодаря тому, что мы разработали новый наноструктурированный материал для датчиков. Более того, созданы разные по дизайну датчики, позволяющие контролируемо менять спектр захватываемых на поверхность молекул-маркеров. То есть каждый датчик считывает только “нужные” сигналы, которые могут указать на заболевания. Это в перспективе позволит пациентам с подозрениями на хронические болезни даже в домашних условиях контролировать состояние своего здоровья», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, Ирины Антоновой, доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН.
По словам ученых, датчик отличается низкой себестоимостью и простотой использования. Пока созданы только первые лабораторные образцы, и до появления полноценного пользовательского устройства еще предстоит пройти несколько этапов. Тем не менее сама технология уже показывает, что анализ выдыхаемого воздуха может стать гораздо доступнее — и превратиться из редкой лабораторной процедуры в удобный способ регулярного контроля здоровья.
Сегодня носимые медицинские устройства умеют следить за пульсом, давлением, дыханием и уровнем кислорода в крови. Но такие приборы, как правило, оценивают только физические параметры. Между тем важную информацию о состоянии организма могут давать и химические маркеры. Часть из них можно обнаружить в выдыхаемом воздухе. Например, при диабете и некоторых сердечных заболеваниях в выдохе повышается уровень ацетона, а при нарушениях работы почек — аммиака.
Проблема в том, что существующие системы для анализа выдоха часто либо недостаточно чувствительны, либо сложны и используются в основном только в медицинских учреждениях. Поэтому создание компактных, дешевых и точных сенсоров для такого анализа считается особенно важной задачей.
Решение предложили ученые из Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН и Объединенного института высоких температур РАН. Они создали сенсорную пленку из графена и полимера, которую можно печатать на обычной офисной бумаге с помощью 2D-принтера.
Когда на поверхность такого датчика попадает выдыхаемый воздух, его электрические свойства меняются. Это происходит потому, что молекулы газов — водяного пара, ацетона, аммиака и других веществ — оседают на поверхности сенсора и влияют на прохождение тока. В результате прибор строит график, по которому можно судить о химическом составе выдоха.
Авторы отмечают, что ранее им удалось определить в таких спектрах положение пиков, соответствующих ацетону, воде и, предположительно, этилену. Причем чувствительность сенсора оказалась настолько высокой, что он позволяет отслеживать даже обычное повышение уровня глюкозы после еды и видеть, за какое время организм возвращается к исходным значениям.
Для проверки работы устройства исследователи проанализировали выдыхаемый воздух у 32 добровольцев. Среди них были здоровые люди, пациенты с диабетом и человек, перенесший инфаркт. У больных участников прибор выявил в спектрах характерный пик ацетона. Это говорит о том, что новый датчик может быть полезен для раннего выявления хронических заболеваний и наблюдения за их течением.
Еще одно важное преимущество разработки в том, что такой сенсор можно закрепить на обычной медицинской маске. Это делает его удобным не только для домашнего использования, но и для больниц — например, для непрерывного наблюдения за дыханием пациента во время операций или в палатах интенсивной терапии.
«Нам удалось достичь высокой чувствительности измерений благодаря тому, что мы разработали новый наноструктурированный материал для датчиков. Более того, созданы разные по дизайну датчики, позволяющие контролируемо менять спектр захватываемых на поверхность молекул-маркеров. То есть каждый датчик считывает только “нужные” сигналы, которые могут указать на заболевания. Это в перспективе позволит пациентам с подозрениями на хронические болезни даже в домашних условиях контролировать состояние своего здоровья», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, Ирины Антоновой, доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН.
По словам ученых, датчик отличается низкой себестоимостью и простотой использования. Пока созданы только первые лабораторные образцы, и до появления полноценного пользовательского устройства еще предстоит пройти несколько этапов. Тем не менее сама технология уже показывает, что анализ выдыхаемого воздуха может стать гораздо доступнее — и превратиться из редкой лабораторной процедуры в удобный способ регулярного контроля здоровья.
