Ученые НГТУ НЭТИ разработали газовые датчики для ранней диагностики болезней (видео)

24.03.20 09:53

 

Ученые механико-технологического факультета Новосибирского государственного технического университета НЭТИ создали сверхчувствительный газовый датчик на основе углеродных нанотрубок и графеноподобных материалов. Высокочувствительный сенсор, по словам доцента кафедры химии и химической технологии НГТУ НЭТИ Александра Баннова, способен обнаруживать даже крайне низкое содержание газов в воздухе. Ученые считают, что разработка может найти широкое применение в работе медперсонала и сотрудников МЧС.

 

Газовые сенсоры — это миниатюрные устройства, которые позволяют определять концентрацию вредных газов в воздухе. При этом до настоящего времени существующие датчики могли обнаружить лишь сравнительно большие концентрации газов. Благодаря использованию новых материалов — структур на базе углеродных нанотрубок, оксидов графена и их гибридах — газовый сенсор разработчиков НГТУ НЭТИ поможет справиться с этой проблемой.

 

Для сравнения: существующие аналоги промышленных газовых сенсоров не определяют ряд вредных веществ с концентрацией ниже 100—300 ppm (parts per million — одна миллионная часть). Газовые сенсоры, разработанные в НГТУ НЭТИ, распознают частицы от 1 ppm или, другими словами, от одного миллиграмма вещества на килограмм. В ближайшее время ученые планируют доработать устройство, чтобы оно определяло частицы от 0,5 ppm и ниже.

 

Другая особенность разработки — материалы сенсора, которые позволяют уменьшить размер устройства. В результате сокращается потребление энергии и появляется возможность поместить датчик в мобильных устройствах. Миниатюрная модель позволит устройству найти применение в медицине: сенсор позволяет обнаружить изменения в воздухе, выдыхаемом человеком, которые говорят о раннем этапе течения болезни.

 

«Молекулы газа, которые мы выдыхаем, садятся на поверхность и адсорбируются (поглощаются) на активном материале нашего газового сенсора. Они дают или забирают носители заряда (электроны). В зависимости от этого электрическое сопротивление активного материала сенсора начинает меняться, и это позволяет установить содержание вещества в воздухе», — говорит Александр Баннов.

 

Воздух, выдыхаемый человеком, содержит большое количество летучих органических веществ. В связи с тем, что одной из функций легких является газообмен, состав выдыхаемого воздуха различен в норме и при заболеваниях. По словам ученых, благодаря газовому сенсору процесс получения результатов ускорился бы в несколько раз. Вещества, которые наиболее вероятно могут быть биомаркерами при сердечно-сосудистой патологии — это оксид азота, оксид углерода, пентан, изопрен и ацетон. При онкологических заболеваниях у пациентов повышается содержание ряда летучих органических соединений: кетоны, спирты, альдегиды, изопрен. А на ранних этапах гастрита у человека выделяется повышенная концентрация аммиака.

 

Еще одно преимущество нового сенсора — способность оперативно реагировать на рост концентрации конкретного газа. Благодаря этому несколько датчиков смогут постоянно анализировать количество опасных газов.

 

Помимо медицины, газовые сенсоры могут найти применение в борьбе с техногенными катастрофами и чрезвычайными ситуациями. «Умный шлем» с газовыми сенсорами — проект ученых НГТУ НЭТИ, который может заинтересовать специалистов из МЧС. По словам представителей спасательных служб, газоанализаторы, которые сегодня используются во время опасных операций, представляют собой тяжелые и сравнительно громоздкие приборы. Мобильное и быстрое устройство с малым весом, которое можно встроить в шлем сотрудника, позволило бы исключить ряд рисков и проблем во время спасательных операций. «Умный шлем» с комплексом сенсоров для анализа газа должен будет передавать разные сигналы сотруднику МЧС. Например, «надеть противогаз», «подключить кислородный баллон» или «срочно покинуть помещение».

 

Кроме того, датчик можно использовать для обнаружения опасных газов на производстве и в работе экстренных служб. Примеси диоксида углерода, аммиака, диоксида азота и сероводорода часто появляются в воздухе. Обычно это происходит вследствие поломок и частичной разгерметизации оборудования, что может привести к серьезным последствиям, опасным и для здоровья людей, и для производства.

 

«Сейчас те газовые датчики, которые используются в промышленности, позволяют определять только большие концентрации газов. Мы предлагаем другой тип газовых сенсоров, которые основаны на новом материале, позволяющем определять газы при значительно меньшей концентрации», — сказал Баннов.

 

В настоящее время уже существуют физические прототипы сенсоров. В планах ученых — объединение сенсоров в систему мониторинга экологии на производстве. Внедрить новинку разработчики надеются в течение пяти-семи лет.

 

Видеоможно увидеть здесь

Читайте также: