Российские ученые разработали колориметрические сенсоры, способные распознавать полезные или токсичные вещества 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. Процедура занимает от нескольких секунд до минуты. Сенсоры могут определить как вещество, так и его концентрацию в объекте анализа. Исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда, опубликовано в журнале Optical Materials, сообщила пресс-служба Томского политехнического университета.
Каждый сенсор разработанной колориметрической системы 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, что позволяет распознать вещество и определить его концентрацию.
Сенсоры сделаны из безопасного и распространенного оргстекла — полиметилметакрилата. Ученые модифицировали его внутреннюю структуру, что позволило 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 полиметилметакрилатную 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», — отметил один из авторов исследования, профессор отделения электронной инженерии Томского политехнического университета Михаил Гавриленко.
Система цифровой колориметрии использует весь видимый диапазон от 400 до 800 нанометров, включая индивидуальные особенности спектра на всем диапазоне. Это дает больше данных для обработки и, следовательно, более высокие и стабильные характеристики. 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 применения», — рассказал Михаил Гавриленко.
Колориметрические сенсоры 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.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
