Американские ученые создали компактный датчик ионизирующего излучения, состоящий из бумаги, алюминиевой фольги и дрожжей. После нанесения на датчик воды дрожжи в нем начинают ферментацию глюкозы и выделяют углекислый газ, который меняет проводимость датчика. Поскольку при облучении часть организмов погибает, по изменению проводимости можно определить дозу облучения, рассказывают разработчики в журнале Advanced Biosystems.

Работники производств или медицинских учреждений, работающие с источниками ионизирующего излучения, например, рентгенологи, пользуются средствами защиты от облучения. Тем не менее, как правило, они все же подвержены повышенному облучению, а в некоторых случаях могут получить значительную дозу из-за технологических ошибок. Для контроля дозы они используют либо активные и дорогие дозиметры, либо пассивные датчики, показания которых считывают через несколько дней или недель.

Ученые из Университета Пердью под руководством Бабака Зиайи (Babak Ziaie) создали компактный детектор ионизирующего излучения, состоящий из доступных материалов и способный показывать уровень облучения с небольшой задержкой. Датчик состоит из нескольких слоев. В центре располагается слой дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) и среда, насыщенная глюкозой. С обеих сторон их окружают слои двусторонней клейкой ленты, приклеенной к ней алюминиевой фольги с вынесенными по бокам контактами, а внешние слои выполнены из пергаментной бумаги.

Kayla Wiles / Purdue University

Структура датчика. Chang Keun Yoon et al. / Advanced Biosystems, 2018

Изначально датчик находится в неработающем состоянии и для активации его нужно намочить. После этого дрожжи получают доступ к глюкозе и начинают процесс ферментации, превращая ее в этанол и углекислый газ. Растворенный в воде углекислый газ увеличивает количество носителей заряда за счет добавления в нее ионов H⁺ и HCO₃^-, что повышает проводимость датчика. Поскольку в результате облучения часть клеток погибает и метаболическая активность всего слоя в целом понижается, клетки выделяют меньше углекислого газа и не так сильно увеличивают проводимость. Для измерения проводимости слои алюминия сделаны не квадратными как весь датчик, а с контактными площадками сбоку.

Схема и принцип работы датчика. Chang Keun Yoon et al. / Advanced Biosystems, 2018

Ученые провели испытания датчика на двух радиоактивных изотопах — цезий-137 и кобальт-60. Эксперименты при разных дозах ионизирующего излучения показали, что изменение проводимости проходит в течение нескольких минут, после чего она выходит на плато, «высота» которого зависит от дозы. Кроме того, испытания показали, что минимальная обнаруживаемая доза облучения составляет 1 миллирад (от 10 до 200 микрозивертов в зависимости от типа излучения).

Нормированный относительно максимального значения импеданс в зависимости от времени после активации датчика водой. Chang Keun Yoon et al. / Advanced Biosystems, 2018

Чтобы дополнительно доказать, что изменение сопротивления происходит из-за метаболической активности дрожжей, исследователи также провели эксперименты при разных температурах. Они показали, что при 3 градусах Цельсия, когда дрожжи бездействуют, и при 60, когда они погибают, изменений в проводимости датчика практически не происходит, тогда как при 21 градусе Цельсия наблюдается быстрое увеличение электропроводности.

Ученые нередко используют микроорганизмы в электронных устройствах. Например, недавно американские исследователи создали датчик кровотечения в кишечнике, в основе которого лежат генетически модифицированные бактерии, люминесцирующие в присутствии искомых веществ. А в прошлом году другая группа американских ученых создала на основе бактерий материал для печати на 3D-принтере, позволяющий обнаруживать конкретные вещества, и даже создала с его помощью простые логические вентили, основанные на флуоресценции бактерий.

Автор: Григорий Копиев