Ученые Томского политехнического университета разработали колориметрические сенсоры, способные распознавать разные вещества, в том числе полезные или токсичные, в пищевых продуктах, напитках, биологических жидкостях, а также поверхностных и подземных водах. Систему обнаружения можно связать со смартфоном и с помощью нейросети провести первичный химический анализ. Вся процедура занимает от нескольких секунд до минуты. Сенсоры могут определить как вещество, так и его концентрацию в объекте анализа.
Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (№24-24-00160). Последние результаты работы ученых ТПУ опубликованы в журнале Optical Materials (Q1, IF: 3,8).
Принцип работы колориметрической системы, разработанной в ТПУ, прост. Каждый сенсор имеет внутреннюю структуру, которая позволяет менять цвет при контакте с целевым веществом. Смартфон получает цифровое изображение сенсора, затем по его цвету и интенсивности интерпретирует результат в виде распознавания вещества и определения его концентрации.
Наша научная группа одна из первых в мире начала работу по созданию сенсоров для поиска разных соединений, сегодня наши достижения в этой области на уровне мировых. В рамках нового гранта мы разрабатываем проект в связке работы сенсоров и смартфона. Этот подход не является совсем уж уникальным, за последние три года все чаще смартфоны стали заменять аналитическое оборудование. И это вполне понятно: лабораторные анализы – это сложно и долго, а навести камеру смартфона на сенсор и убедиться в пищевой и экологической безопасности может быстро и без особых проблем.
- Михаил Гавриленко, один из авторов исследования, профессор отделения электронной инженерии ТПУ
Сенсоры сделаны из безопасного и распространенного оргстекла –полиметилметакрилата. Политехники модифицируют его внутреннюю структуру, это позволяет сенсору менять цвет при контакте с образцом. Кроме того, полиметилметакрилатная матрица способна самостоятельно избирательно «находить» нужное вещество из сложных смесей, включая биологические жидкости и растительные экстракты. Структура и цвет сенсора задается при изготовлении индивидуально под каждое вещество по принципу «одно вещество – один сенсор – один цвет».
Первое, на что мы смотрим при разработке сенсора, – способно ли вещество быть экстрагировано в олиметилметакрилатную матрицу (ПММ). С помощью компьютерного моделирования мы предполагаем внутреннюю структуру матрицы и реализуем ее синтез. Это помогает сенсору «искать» нужные вещества. Второй этап – выбор условий формирования цвета. Основной критерий здесь – возникновение цвета в области предельно допустимой концентрации, изменение и переход цвета сенсора пропорционально концентрации вещества. В завершении испытаний мы сравниваем его результаты со стандартной твердофазной спектрофотометрией. На разработку прототипа сенсора с нуля уходит примерно три месяца. В зависимости от типа вещества его обнаружение происходит мгновенно или занимает минуту.
- Михаил Гавриленко
Система цифровой колориметрии ученых ТПУ использует весь видимый диапазон от 400 до 800 нанометров, включая индивидуальные особенности спектра на всем диапазоне. Это дает больше данных для обработки, а значит и более высокие и стабильные характеристики (методика обнаружения опасного экотоксиканта хрома ученых ТПУ внесена в качестве рекомендованной в федеральный реестр способов измерения РФ – прим.) При обнаружении вредных веществ ученые опираются на нормативные документы по предельно допустимым концентрациям веществ и естественным ограничениям по формированию колориметрического сигнала.
Сейчас цифровая обработка осуществляется с помощью свободно распространяемых программ для смартфона или графических редакторов на компьютере. В 2025 году мы планируем разработать нейросеть, которая после машинного обучения на образцах сенсоров нашей группы, будет способна распознавать определяемое вещество и его концентрацию в сенсорах. Это позволит сделать систему мультисенсорной и расширить область ее применений.
- Михаил Гавриленко
Колориметрические сенсоры ученых ТПУ можно использовать также для мониторинга нефтяных месторождений и в гидрологических исследованиях поверхностных вод, экологическом мониторинге территорий, включая подземные водозаборы, а также для контроля качества пищевой продукции и напитков.
Фото: пресс-служба Томского политехнического университета
