Сенсоры точно определят природные антиоксиданты

Исследователи ИТМО создали многоразовые сенсорные подложки, покрытые наночастицами золота, которые выявляют точную концентрацию хлорогеновой кислоты в растительном и производственном сырье. Этот природный антиоксидант активно используется при производстве лекарств, продуктов питания и косметики. Разработка ученых позволит определять содержание хлорогеновой кислоты как в лабораториях, так и в полевых условиях.

Полифенолы играют ключевую роль в биологических процессах благодаря антиоксидантным свойствам. Одним из самых распространенных соединений этой группы является хлорогеновая кислота, которая содержится в кофе, семенах подсолнечника, листьях черники и цикории. Она снижает окисление липопротеинов низкой плотности, что помогает снизить риск сердечно-сосудистых заболеваний.

Однако избыток хлорогеновой кислоты при производстве, например, растительного белка может привести к нежелательному окрашиванию конечного продукта. Поэтому контроль содержания этой кислоты крайне важен.

Ученые ИТМО разработали высокочувствительные сенсоры, которые позволяют обнаружить хлорогеновую кислоту в диапазоне концентраций от 10 до 350 микромолей с точностью до 99%. Разработка представляет собой кремниевые пластинки, покрытые пленкой из наночастиц золота. Сенсоры работают в связке с рамановской спектроскопией — аналитическим методом, который позволяет с высокой точностью определять структуру анализируемого вещества и его количество, анализируя рассеивание лазерного луча с молекулами. Ученые получают уникальные «отпечатки пальцев» молекул, по которым, как в криминалистике, можно идентифицировать то или иное вещество.

Наночастицы золота наносят на кремниевые пластинки в несколько этапов. Сначала в растворе синтезируют наночастицы золота размером от 14 до 99 нанометров. Затем наночастицы скрепляют, как кубики LEGO, специальной молекулой и упорядочивают на границе воды и органического растворителя, в результате чего образуется равномерная сверхтонкая пленка наночастиц толщиной в несколько десятков нанометров.

Готовую пленку переносят на кремниевую и полимерную пластинки, используя метод «аквапечати»: подложку аккуратно погружают в пленку, и та «отпечатывается» на ее поверхности, формируя равномерный слой.

«Метод рамановской спектроскопии позволяет быстро проводить анализ как на стационарных, так и на портативных устройствах. С помощью этого метода мы получаем “отпечаток пальцев” вещества, который позволяет нам точно определить его структуру. Для этого мы направляем лазерный луч на сенсорную пластину и анализируем, как он рассеивается на молекулах вещества на поверхности сенсора. Спектрометр фиксирует рассеянный свет, и мы получаем индивидуальный набор спектральных линий, характерный только для этого вещества. Точность обнаружения хлорогеновой кислоты с помощью нашей разработки составляет почти 100%, кроме того, мы можем с точностью до 90% определить ее количество в исследуемом сырье»,— рассказывает куратор исследовательской группы, доктор химических наук, научный сотрудник НОЦ инфохимии ИТМО Евгений Смирнов.

Сейчас результаты рамановской спектроскопии ученые обрабатывают вручную. Они сравнивают данные экстрактов хлорогеновой кислоты, полученных из растительного сырья, с эталонным «отпечатком пальцев» химически чистой хлорогеновой кислоты. В дальнейшем планируется автоматизировать этот процесс — научить алгоритмы и ПО самостоятельно распознавать конкретное вещество в смесях по характерным спектральным линиям, а также определять их концентрацию.

Сенсоры могут быть использованы в сельском хозяйстве для отбора наиболее качественного сырья. Например, кофейных зерен на плантации, из которых можно будет извлекать хлорогеновую кислоту. А также на производстве для отслеживания необходимого уровня этой кислоты в конечном продукте и для того, чтобы избежать нежелательного окрашивания продукта. Например, в лекарственных препаратах, назначаемых при диабете или сердечно-сосудистых заболеваниях, вине или растительном белке.

«Наша главная цель — сделать процесс обнаружения полифенолов доступным для производителей любого масштаба. Для этого мы стремимся максимально удешевить стоимость подложек без потери их эффективности. Сейчас мы ищем подходящий для замены кремниевой пластики материал, так как стоимость кремния оказывается выше стоимости самих золотых наночастиц даже с учетом рабочей силы. Также проводим эксперименты с наночастицами серебра»,— подчеркивает один из авторов работы, бакалавр факультета НОЦ инфохимии ИТМО Арина Павлова.

Проект выполнен при финансовой поддержке Российского научного фонда — грант №22–73–00206.

Пресс-служба Университета ИТМО
Использованы материалы статьи.