Графен поможет выявить токсин плесени в продуктах

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.

«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.

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.