В ИТМО разработали гибкие высокочувствительные сенсоры для детекции кальция в сложных средах

Чтобы точно анализировать состав морской воды, химики используют специальные сенсоры. С их помощью они измеряют количество ионов кальция, калия и других веществ. В основном для этого применяют стандартные электроды из металла (например, платины) или из углерода, однако часто такие электроды обладают низкой чувствительностью и могут работать недостаточно точно из-за примесей других веществ: например, водорослей, которые тоже вырабатывают различные химические элементы и влияют на результаты измерений. Другой вариант — создавать сенсоры с помощью сложных структур на основе наночастиц, полимеров и других материалов. Но и у этого метода есть недостатки: такие сенсоры требуют слишком сложной и дорогостоящей модификации. 

Исследователи из ИТМО разработали новый подход к созданию сенсоров для детекции ионов кальция, максимально упростив конструкцию, и представили два прототипа на основе MXene — двумерного материала из карбида титана. Он обладает высокой электрической проводимостью, а также может выступать в качестве транспортера ионов. Сенсоры из этого материала очень компактны: размер электрода не превышает 1 см в длину и 3-4 мм в толщину. Благодаря своему составу и размеру датчики обладают высокой чувствительностью. Минимальный объем вещества для обнаружения кальция составляет 100 микролитров — это всего несколько капель жидкости. При этом большинство аналогов обладают более крупными размерами, за счет чего им требуется большее количество вещества для анализа.

Ученые представили два образца электродов: твердый на стеклянной подложке и гибкий, напечатанный на пластике. Твердый электрод подойдет для проведения лабораторных тестов, а гибкий открывает перспективы для практического использования — в носимой электронике, устройствах интернета вещей и других областях. В будущем аналогичные датчики можно будет создавать на бумаге и текстиле. Оба типа сенсоров подходят для использования в сложных средах, таких как морская вода и молоко, избирательно и точно определяя ионы кальция в растворе. При этом посторонние ионы (например, магний, натрий или калий) практически не влияют на процесс измерения.

Датчики на основе Mxene просты в изготовлении: для этого ученые фактически печатают материал тонким слоем на стекле, а затем наносят на него ион-селективную мембрану, которая чувствительна только к определенному типу ионов (в зависимости от ионофора). Полученные электроды погружают в раствор и с помощью мультиметра измеряют разность мембранных потенциалов, на основе которой рассчитывается количество ионов кальция в растворе. 

Исследователи откалибровали датчики на стандартных растворах ионов кальция и протестировали их на реальных образцах минеральной и морской воды, молока. Полученные результаты сравнили со статистическими данными — погрешность была минимальной. 

Разработанные сенсоры можно использовать для экологического мониторинга, в пищевой промышленности и медицинской диагностике.

«В своей работе мы показали, что MXene — это перспективный материал для нового поколения недорогих, гибких и высокочувствительных сенсоров. Наши датчики можно адаптировать для обнаружения любых других ионов — для этого достаточно поменять мембрану. За счет миниатюрного размера разработка будет интересна коммерческим заказчикам: например, производителям фильтров для воды и пищевым производствам», — рассказал руководитель исследования, ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Евгений Смирнов. 

До конца 2025 года авторы планируют сделать инструмент для мультиплексного анализа ионов, который позволит с одной капли детектировать ионы различных веществ: натрия, калия, аммония, кальция, магния, йода, хлора и других. Ученые ожидают, что система подойдет для растворов с содержанием вещества от 0,1 моль на литр (концентрированный раствор, сравнимый с рассолом) до 0,00001 моль (сильно разбавленный раствор на порядок ниже физиологических концентраций). 

Исследование поддержано Российским научным фондом.