Источник: сайт НГТУ НЭТИ

Гибкие носимые биосенсоры на основе графена и проводящего полимера будут отличаться возможностью многоразового использования, низкой стоимостью и простотой изготовления. А высокая чувствительность к различным химическим соединениям обеспечит точность проводимых измерений.

Работа по созданию сенсоров ведется на базе Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН под руководством ведущего научного сотрудника института, доктора физико-математических наук профессора кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники НГТУ НЭТИ Ирины Антоновой. Подробные результаты работы опубликованы в журналах Physical Chemistry Chemical Physics, «Российские нанотехнологии», «Успехи физических наук». Кроме того, на изобретение получен патент.

Как отмечает магистрант 2 года обучения факультета радиотехники и электроники НГТУ НЭТИ, инженер ИФП СО РАН Анна Бузмакова, существует огромное количество различных методов диагностики глюкозы, которые можно разделить на две группы: методы, требующие использования специального оборудования, и методы персонализированной медицины для домашнего использования. В настоящее время значительный интерес вызывают гибкие носимые сенсоры, которые можно применять в качестве миниатюрных аналитических устройств. Особое внимание уделяется разработке неинвазивных биосенсоров, работа которых основана на использовании жидкости, отличной от крови, — в частности, устройств, которые анализируют пот человека.

Анна Бузмакова

Однако такие сенсоры обычно имеют сложную многослойную структуру, что затрудняет проникновение пота к чувствительному элементу и влечет за собой уменьшение амплитуды сигнала. Кроме того, пот состоит на 98% из воды, оставшиеся 2% включают около 250 химических соединений, которые могут мешать точному обнаружению глюкозы. Дополнительным ограничением является высокая стоимость материалов.

Но, чтобы применять метод, требуется специальное оборудование – атомно-силовой микроскоп, совмещенный со спектрометром комбинационного рассеяния света, а также подготовленные подложки, включающие металлические нанообъекты, например, нанодиски.

«Была цель — создать гибкие носимые биосенсоры для персонализированной медицины и исследовать отклик сверхтонких слоев при анализе пота человека. Разработанный композитный состав графен / полимер PEDOT:PSS стал основой для изготовления чернил, позволяющих печатать сверхтонкие проводящие слои. Чернила наносили на гибкую подложку с помощью струйного 2D-принтера. В качестве подложки применяли офисную бумагу. Такой способ изготовления является хорошей альтернативой дорогостоящим способам создания сенсоров. Печатные структуры тестировались для использования в качестве носимых сенсоров глюкозы. Исследуемой жидкостью был пот, выделяемый на коже», — рассказала Анна Бузмакова, автор дипломной работы «Исследование и разработка биосенсоров из композитных слоев на основе графена и проводящего полимера PEDOT:PSS».

По ее словам, использование данных сенсоров перспективно в устройствах, которые считывают сигнал и передают его на телефон. Поэтому также было разработано считывающее устройство для непрерывной записи данных. Для тестирования образец закреплялся на запястье, а сигнал с сенсора передавался непосредственно на смартфон. Поскольку сенсор резистивного типа, его принцип работы заключался в изменении электрического сопротивления при взаимодействии реагентов с чувствительным элементом. При контакте сенсора с кожей выделяемый пот попадал на поверхность печатных слоев, происходили адсорбция его компонентов, химическая реакция разложения глюкозы и перенос носителей заряда (электронов), что повышало проводимость сенсора. Таким образом, наблюдалась зависимость отклика сенсорных структур по току и концентрации глюкозы в крови человека.

Научная новизна работы заключается в том, что создание проводящего композита с уникальной структурой на основе графена и полимера PEDOT:PSS открывает возможности для разработки биосенсоров, ультрачувствительных к различным химическим соединениям. Толщина чувствительного слоя, не превышающая нескольких десятков нанометров, позволяет увидеть сигнал, используя  микроскопические капельки пота, выделяемые, например, на запястье. Чувствительность важна, поскольку от нее зависит абсолютная величина полезного сигнала, скорость его появления после начала тестирования и, главное, диапазон изменений сигнала: чем он шире, тем меньшие колебания глюкозы можно измерить. 

Результатом работы стали сенсоры с высокой чувствительностью из проводящего композита графен / полимер PEDOT:PSS. Они отличаются низкой стоимостью и простотой изготовления. Была продемонстрирована их стабильность, возможность многоразового использования. Кроме того, разработано приложение для передачи сигнала на смартфон по беспроводному каналу. 

В дальнейших планах — тестирование сенсорных структур в повседневных условиях, установление особенностей их работы и диапазона применения. Также немаловажной задачей является разработка калибровки устройства в начале его использования и мониторинг параметров в процессе длительной носки. 

Фото 1-5, предоставлены исследователями

Фото 1. Методы диагностики глюкозы.

Фото 2. Принцип изготовления структур.

Фото 3. Зависимость тока от концентрации глюкозы в крови. Справа на фото — изображение со сканирующего электронного микроскопа и изображение бумаги, полученное на оптическом микроскопе.

Фото 4. Реакция окисления глюкозы.

Фото 5. Данные, полученные со считывающего устройства при непрерывном мониторинге.