Химики улучшили детекторы биомаркеров из выдыхаемого воздуха

Сотрудники лаборатории химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов химического факультета МГУ увеличили чувствительность полупроводниковых газовых сенсоров к короткоцепочечным жирным кислотам – биомаркерам, характеризующим работу кишечника. Такие кислоты содержатся в выдохе человека, поэтому исследование делает ещё более перспективной соответствующую неинвазивную диагностику. Работа опубликована в журнале Sensors and Actuators B: Chemical и поддержана грантом РНФ № 22-13-00111.

Детектирование биомаркеров в выдыхаемом воздухе – перспективный и эффективный инструмент для мониторинга состояния здоровья. Биомаркерами, связанными с показателями здоровья и работоспособности человека, могут выступать ацетон, формальдегид, этанол и другие летучие органические соединения.

«В последнее десятилетие большое внимание уделяется исследованию роли короткоцепочечных жирных кислот в возникновении различных заболеваний, – рассказала руководитель работы, профессор кафедры неорганической химии химического факультета МГУ Марина Румянцева. – 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. Поэтому мониторинг уровня этих биомаркеров в выдыхаемом воздухе может быть неинвазивным способом контроля эффективности предписанной терапии или соблюдаемой диеты».

В качестве анализаторов выдыхаемого воздуха могут быть использованы недорогие, миниатюрные и высокочувствительные полупроводниковые газовые сенсоры на основе оксидов металлов. Принцип их работы основан на взаимодействии молекул газов с поверхностью полупроводника. Протекающие процессы сопровождаются изменением проводимости, что преобразуется в сенсорный сигнал. Наиболее хорошо изученным и перспективным чувствительным материалом для сенсоров такого типа считается диоксид олова. Однако для использования в области анализа выдыхаемого воздуха необходимо увеличить его чувствительность к целевым биомаркерам.

«Для увеличения чувствительности по отношению к кислотам мы решили уменьшить льюисовскую кислотность материалов, – поделилась аспирантка кафедры неорганической химии, первый автор исследования 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».

Авторы охарактеризовали материалы и исследовали сенсорные свойства по отношению к ряду неорганических газов и короткоцепочечных жирных кислот. С помощью набора методов удалось показать пониженную кислотность поверхности модифицированных материалов по сравнению с диоксидом олова. При исследовании сенсорных свойств было замечено увеличение чувствительности к газам с кислотными свойствами (короткоцепочечным жирным кислотам и сероводороду) и уменьшение сигнала при обнаружении аммиака – газа с 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, – объяснила 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».