В ТПУ разработали сенсоры для экспресс-мониторинга полезных и токсичных веществ

Специальные устройства — сенсоры, которые могут определять разные вещества в продуктах, напитках, биологических жидкостях и воде, — создали ученые Томского политехнического университета.

Эти сенсоры можно подключить к смартфону. С помощью нейросети они проведут первичный химический анализ-за несколько секунд или минут. Сенсоры могут определить как вещество, так и его количество.

Результаты опубликованы в журнале Optical Materials.

В Томском политехе разработали специальную систему для определения веществ.

Каждый сенсор в этой системе имеет особую структуру, которая позволяет ему менять цвет при контакте с нужным веществом.

Смартфон получает картинку сенсора и определяет по его цвету и яркости, какое вещество на него попало и в каком количестве.

Наша научная группа одна из первых в мире начала создавать сенсоры для поиска разных соединений. Сегодня мы достигли мирового уровня в этой области.

Благодаря новому гранту мы работаем над проектом, который объединит сенсоры и смартфон. Это не новая идея — за последние три года смартфоны все чаще заменяют аналитическое оборудование. И это понятно: лабораторные анализы сложные и занимают много времени, а смартфон с камерой позволяет быстро проверить безопасность продуктов и окружающей среды, — отмечает один из авторов исследования, профессор отделения электронной инженерии ТПУ Михаил Гавриленко.

Сенсоры изготовлены из безопасного и широко распространенного материала — оргстекла, которое называется полиметилметакрилат.

Политехники изменяют внутреннюю структуру этого материала, что позволяет сенсору менять цвет при соприкосновении с образцом. Кроме того, сенсор может самостоятельно находить нужное вещество в сложных смесях, например, в биологических жидкостях или растительных экстрактах.

Каждый сенсор создается под конкретное вещество. То есть для каждого вещества существует свой сенсор, который меняет цвет при его обнаружении.

При создании сенсора мы в первую очередь проверяем, можно ли поместить определенное вещество в специальную основу — олиметилметакрилатную матрицу (ПММ). С помощью компьютерного моделирования мы создаем модель этой матрицы и затем синтезируем ее. Это помогает сенсору находить нужные вещества.

Следующий шаг — выбор условий для изменения цвета сенсора. Мы хотим, чтобы цвет появлялся при предельно допустимой концентрации вещества, а также менялся и переходил из одного в другой пропорционально его количеству.

В конце мы сравниваем результаты работы сенсора со стандартным методом анализа — твердофазной спектрофотометрией.

На создание прототипа сенсора с нуля уходит около трех месяцев. В зависимости от типа вещества, его обнаружение происходит мгновенно или занимает минуту, — добавляет Михаил Гавриленко.

Ученые разработали систему, которая позволяет точно определять цвет света. Она улавливает все цвета от 400 до 800 нанометров — это весь видимый спектр. Благодаря этому система может собрать больше информации и дать более точные результаты.

Этот метод уже признан в России. Его используют для обнаружения опасного вещества — хрома. При этом ученые ориентируются на допустимые нормы концентрации веществ и естественные ограничения при формировании цветового сигнала.

Сейчас люди обрабатывают информацию с помощью программ, которые можно скачать бесплатно. Это могут быть приложения для смартфонов или программы на компьютере, чтобы редактировать фотографии.

К 2025 году мы хотим создать программу-робота (нейросеть). Мы будем учить ее на образцах наших датчиков. После обучения программа сможет определять вещество и его количество в датчиках. Это сделает нашу систему более универсальной и расширит область ее применения, — говорит профессор.

Новые сенсоры помогают определять цвет веществ. Их можно использовать в разных областях:

• Для наблюдения за нефтяными месторождениями. Сенсоры помогут следить за состоянием нефти и окружающей среды.
• При изучении рек, озер и других поверхностных вод. С их помощью можно узнать больше о состоянии воды.
• Чтобы проверять экологию территорий, включая подземные источники воды. Сенсоры позволят контролировать качество окружающей среды.
• Для проверки качества еды и напитков. Они помогут убедиться, что продукты безопасны для здоровья.

Ранее ученые сообщили о создании бумажного датчика для выявления малярии и ВИЧ.

09.01.2025