Ученые из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН исследуют материалы для сенсоров для детекции аммиака в выдыхаемом воздухе. В перспективе их можно будет использовать на спирометре для диагностики различных заболеваний по составу выдыхаемого воздуха, например заболевания почек.

Спирография, или спирометрия — метод, при котором оценивается объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Обычно он применяется для того, чтобы врачи могли судить о серьезности легочных заболеваний или тяжести последствий перенесенной ОРВИ, но практически не используется для исследования газового состава выдыхаемого воздуха.

Сотрудники ИНХ СО РАН придумали материал, который может служить индикатором наличия аммиака в выдыхаемом человеком воздухе. Аммиак — продукт обмена белков и аминокислот в человеческом организме. В нашей печени и почках аммиак превращается в мочевину, а затем выводится из организма. Правда, иногда случается так, что нормальный уровень аммиака оказывается превышен. Это может сигнализировать о почечной недостаточности.

На данный момент в России нет приборов для обнаружения аммиака в составе выдыхаемого воздуха в диагностических целях. Существуют только лабораторные анализы на наличие вещества в крови пациента для выявления заболеваний печени (гепатит, цирроз).

«Мы исследуем активные слои сенсоров на основе пленок фталоцианинов металлов, которые относятся к классу комплексных металлорганических соединений. Сенсоры на основе данных веществ обладают множеством преимуществ: они проявляют обратимый сенсорный отклик при комнатной температуре, могут быть получены как осаждением из газовой фазы, так и растворными методами, а еще термически и химически стабильны. Важно также и то, что структуру фталоцианинов можно широко варьировать путем введения различных металлов-комплексообразователей и заместителей в ароматическом кольце, что позволяет оптимизировать и изменять их сенсорные свойства», — рассказывает младший научный сотрудник лаборатории химии летучих координационных и металлорганических соединений Дарья Дмитриевна Клямер.

Фталоцианины металлов обладают полупроводниковыми свойствами. Измерение сенсорного отклика исследуемых пленок основано на изменении проводимости слоев при изменении состава газовой смеси.

«Мы осаждаем пленки фталоцианинов металлов на подложки со встречно-штыревыми электродами, помещаем их в измерительную ячейку и фиксируем изменение величины сопротивления/проводимости пленок при введении различных концентраций аммиака. Содержание аммиака в выдыхаемом воздухе более 1 ppm, помимо дисфункции печени, служит индикатором почечной недостаточности при нефритах, токсических поражениях почек. На данный момент наши соединения могут улавливать концентрации аммиака от 0,1 ppm, но в перспективе показатель может быть понижен», — дополняет научный сотрудник лаборатории кристаллохимии кандидат физико-математических наук Александр Сергеевич Сухих.

При взаимодействии пленки фталоцианина металла с газом-аналитом наблюдается заметное резкое изменение сопротивления, а после прекращения подачи аналита в измерительную ячейку сопротивление возвращается к исходному значению. То есть изменение проводимости пленок служит так называемым индикатором содержания аммиака в выдыхаемом воздухе человека.

Материалы подходят как для количественного, так и для качественного анализа. Для последнего необходимо еще отработать методики измерения.

Исследователи также работают над определением других газов-биомаркеров заболеваний, например водорода и монооксида азота. Так, превышение количества водорода в выдыхаемом воздухе может свидетельствовать о нарушениях микрофлоры кишечника, непереносимости лактозы, а монооксида азота — о заболеваниях дыхательных путей, например астме.

«В перспективе, конечно же, хотелось бы перейти к тестированию получаемых активных слоев для сенсорных устройств на реальных образцах выдыхаемого воздуха пациентов больниц», — подчеркивает Дарья Дмитриевна.

Исследования выполняются при поддержке Российского научного фонда (проект № 20–73–00080) и стипендии Президента РФ.