При участии учёных ЛЭТИ разработано покрытие для газовых сенсоров, диагностирующих опасное состояние при сахарном диабете

Кетоацидоз – это серьёзное нарушение обмена веществ, которое возникает при значительном повышении уровня кетоновых тел (ацетона, ацетоуксусной и бета-гидроксимасляной кислот) в крови. Основной причиной является дефицит инсулина, поэтому заболевание чаще всего встречается у людей с диабетом 1 типа, но также может развиваться у пациентов с диабетом 2 типа. Высокая концентрация кетонов приводит к нарушениям в работе жизненно важных органов, что может вызвать осложнения, включая диабетическую кому и даже летальный исход. Поэтому ранняя диагностика этого заболевания имеет решающее значение для предотвращения тяжёлых последствий.

Современные методы диагностики кетоацидоза включают специальные тест-полоски для выявления кетонов и лабораторные исследования. Однако первый метод не всегда позволяет обнаружить кетоацидоз на ранних стадиях, а второй может быть достаточно дорогостоящим. По этой причине необходимо разрабатывать более доступные и эффективные подходы для ранней диагностики этого заболевания. В частности, газовые сенсоры для детектирования ацетона в выдыхаемом человеком воздухе могут стать одним из решений проблемы, поскольку специфический запах данного газа изо рта является характерным симптомом кетоацидоза.

«Совместно с Кабардино-Балкарским государственным университетом им. Х.М. Бербекова мы смогли без использования сложных методов синтеза получить покрытие, представляющее собой стержневую структуру оксида цинка с оболочкой оксида цинка-олова. Исследования показали, что выращенная на подложке структура очень чувствительна даже к низким концентрациям ацетона. Это перспективно для создания газовых сенсоров, выявляющих содержание данного вещества в выдыхаемом воздухе, что характерно при симптомах такого опасного состояния как кетоацидоз».

Сначала наностержни оксида цинка (ZnO) вырастили на подложке с электрическими контактами с помощью гидротермального синтеза – способа получения химических соединений и материалов в водном растворе в условиях закрытой системы, высоких температур и давлений. Затем тем же методом на наностержни ZnO были равномерно нанесены оболочки из соединения оксида цинка-олова (Zn2SnO4). Все образцы были отожжены при высокой температуре для формирования кристаллического слоя оболочки.

Далее научная группа кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ», возглавляемая докторантом Светланой Сергеевной Налимовой (научный консультант докторантуры – доктор физико-математических наук, профессор Вячеслав Алексеевич Мошников), включающая трёх аспирантов Конг Доан Буя, Романа Сергеевича Крюкова и Павла Филипповича Самсыгина, а также двух магистрантов Арину Алексеевну Рыбину и Сергея Сергеевича Бузовкина, исследовала, как эти наностержни реагируют на разные газы, в том числе, на ацетон. Для этого использовалось специальное оборудование, которое позволяло измерять сопротивление и проводить анализ электрических свойств. Результаты изучения показали, что образец очень чувствителен к ацетону при его малой концентрации.

Путем дополнительных методов исследования – электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии – учёные КБГУ им. Х. М. Бербекова под руководством директора Института электроники, робототехники и искусственного интеллекта Замира Валериевича Шомахова выяснили, что полученная структура ZnO/Zn2SnO4 повторяет форму и пространственную организацию неупорядоченно-ориентированных наностержней оксида цинка. При этом на их поверхности формируется оболочка многокомпонентного оксидного соединения, сочетающая оптимальное соотношение активных центров (мест на поверхности, на которые могут «садиться» молекулы ацетона, а также атомы, которые могут вступать в химическую реакцию с молекулами этого газа) для селективного взаимодействия с парами ацетона.

Результаты исследований представлены в научном журнале Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Работа ведется в русле научно-исследовательской политики программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030».