Российские ученые создали прототип сенсора на основе графена, способный точно и быстро определять содержание охратоксина А. Это опасное вещество выделяют некоторые плесневые грибы, которые могут жить на продуктах питания. Разработка ученых поможет определять нарушения на пищевом производстве в реальном времени. Результаты работы опубликованы в журнале Toxins. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Картинка: серая гниль на винограде Шенен Блан. ...

Картинка: серая гниль на винограде Шенен Блан. Источник: Wikimedia Commons

«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. — Также 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. При этом 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, предполагают, что одна из причин балканской почечной нефропатии (своеобразной формы почечной недостаточности) — отравление охратоксином А. Также международное агентство по исследованию рака назвало охратоксин А возможным канцерогеном для человека.

Охратоксины — вещества, вырабатываемые плесневыми грибами рода Aspergillus и Penicillium. Они могут содержаться в различных злаках и фруктах, а также в сырье для изготовления вина, пива и кофе. До 40% этих продуктов содержат охратоксин А в разных концентрациях. Проблема заключается в том, что нагревание или химическая обработка не может его разрушить. Поэтому единственный способ предотвратить попадание продуктов с охратоксином на полки магазинов и на обеденный стол — определить его наличие на этапе производства.

Графен — одна из форм углерода, представляющая из себя решетку с шестигранными ячейками. Это вещество обладает уникальными свойствами, например максимальной подвижностью носителей зарядов среди всех известных веществ при минимальной толщине. Однако электрическая проводимость графена может меняться при движении зарядов вблизи его поверхности. Так можно усилить 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.

Картинка: схема работы сенсора на основе графен...

Картинка: схема работы сенсора на основе графена. Сенсор (в центре) связывается с молекулой охратоксина А (слева). По изменению сопротивления (справа) можно определить концентрацию токсина. Источник: Nekrasov et al. / Toxins, 2019

В исследовании используется принцип действия полевого транзистора. Иначе говоря, 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 в проводе. Так по сигналу с провода можно оценить концентрацию определяемого вещества.

В этой работе ученые показали возможность эффективно оценить количество токсина в течение пяти минут по капле исследуемой жидкости. Сенсор позволил определить 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 успешно оценили количество токсина, который был искусственно добавлен в известной концентрации, в красном вине.

Картинка: фотография сенсора на основе графена....

Картинка: фотография сенсора на основе графена. Источник: Иван Бобринецкий

«Избирательность оказалось 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 своих новых работах коллектив планирует заняться проблемой определения токсинов бактерий в пресной воде. Авторы отмечают возможность разработки комплексных портативных систем сенсоров для определения большого количества разных веществ сразу.