Российские ученые создали прототип сенсора на основе графена, способный точно и быстро определять содержание охратоксина А. Это опасное вещество выделяют некоторые плесневые грибы, живущие на продуктах питания. Разработка ученых поможет определять нарушения на пищевом производстве в реальном времени. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.
Фото: Nekrasov et al. / Toxins, 2019
Фото: Nekrasov et al. / Toxins, 2019
«Цель нашего исследования — создание быстрого, простого и дешевого сенсора для определения охратоксина А в продуктах в домашних условиях,— рассказал руководитель проекта Иван Бобринецкий, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Московского института электронной техники.— Один вид плесневого грибка может производить несколько типов токсинов. И в будущем желательно уметь определять все вещества сразу одним сенсором. Технология изготовления на основе графена как раз позволяет достичь этого».
Плесневые грибы распространены повсеместно. Их обширные колонии вырастают в теплых влажных местах на питательных средах, в том числе на продуктах питания. Плесень может выделять вещества, токсичные для млекопитающих. Многие из этих токсинов вызывают кожные болезни, болезни органов дыхания, а также могут оказывать негативное воздействие на нервную систему, печень и почки. Например, предполагается, что одна из причин балканской нефропатии (загадочная невоспалительная болезнь почек, приводящая к почечной недостаточности) — отравление охратоксином А. Международное агентство по исследованию рака предполагает, что охратоксин А канцерогенен.
Охратоксины — вещества, вырабатываемые плесневыми грибами рода Aspergillus и Penicillium. Они могут содержаться в разных концентрациях в злаках, фруктах и овощах, в винном и пивном сусле, в кофе. До 40% этих продуктов содержат охратоксин А в разных концентрациях. Проблема заключается в том, что нагревание или химическая обработка не разрушают эти токсины. Поэтому единственный способ предотвратить попадание продуктов с охратоксином на полки магазинов и на обеденный стол — выявить его на этапе производства.
Графен — форма углерода, решетка с шестигранными ячейками. Это вещество обладает уникальными свойствами — например, максимальной подвижностью носителей зарядов среди всех известных веществ при минимальной толщине. Электрическая проводимость графена может меняться при движении зарядов вблизи его поверхности. Это позволяет усиливать «чувствительность» графена к определенным молекулам. Для этого к решетке графена с помощью химических сшивок прикрепляют белки или ДНК, способные захватывать нужные молекулы. Авторы работы использовали короткие модифицированные последовательности ДНК, избирательно связывающие только молекулы охратоксина А.
Схема работы сенсора на основе графена. Сенсор (в центре) связывается с молекулой охратоксина А (слева). По изменению сопротивления (справа) можно определить концентрацию токсина.
Фото: Nekrasov et al. / Toxins, 2019
Схема работы сенсора на основе графена. Сенсор (в центре) связывается с молекулой охратоксина А (слева). По изменению сопротивления (справа) можно определить концентрацию токсина.
Фото: Nekrasov et al. / Toxins, 2019
Использован принцип действия полевого транзистора: в провод, по которому течет электрический ток, встроен графен. На графен тоже подается электрический ток, который изменяется при связывании токсина. Это приводит к изменению тока и в проводе. Так по сигналу с провода можно оценить концентрацию определяемого вещества. На все это уходит пять минут и капля жидкости, сенсор определяет наличие охратоксина А, начиная с 4 пикограмм на миллилитр, что почти в тысячу раз меньше максимально допустимого содержания в продуктах питания. Также с помощью сенсора авторы работы точно оценили количество токсина, который был искусственно добавлен в известной концентрации, в красном вине.
«Избирательность оказалась выше почти в 100 раз, чем у других известных графеновых сенсоров,— говорит Иван Бобринецкий.— Также наш сенсор является многоразовым. Мы показали возможность восстановления: мы можем промыть его и продолжить измерения».
В дальнейшем авторы собираются заняться определением токсинов бактерий в пресной воде и надеются создать комплексные портативные системы для выявления большого количества разных ядовитых веществ за одно измерение.
По материалам статьи Graphene-Based Sensing Platform for On-Chip Ochratoxin a Detection; Nikita Nekrasov, Dmitry Kireev, Aleksei Emelianov, Ivan Bobrinetskiy; журнал Toxins, сентябрь 2019 г.