Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали компактное устройство для количественного анализа образцов — «спектрофотометр в кювете». Для этого они модифицировали полимер для 3D-печати с помощью люминесцентных молекул и создали кювету для образца, которая одновременно служит и источником света. При таком подходе для быстрого определения содержания вещества в растворе помимо кюветы потребуются только фонарик и камера телефона. Подход уже показал свою эффективность при анализе модельных и реальных образцов. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Polymer Engineering & Science.
Источник: ТАСС/AP Photo/ Jae C. Hong, архив
Технология создания трехмерных объектов путем послойного нанесения материала (3D-печать) позволяет создавать физические объекты практически любой формы прямо из цифрового файла. Сегодня с помощью 3D-принтера можно напечатать практически все — от элементов одежды и обуви до предметов мебели и даже мостов.
Главное преимущество 3D-печати — возможность быстро и недорого создавать штучные объекты с заданными свойствами, что активно используют ученые-исследователи. Например, в экспериментах часто возникает потребность в создании деталей особенной формы или из нестандартных материалов, которые отсутствуют в продаже. С этой задачей помогает справиться 3D-принтер, при этом изменять можно не только форму объекта, но и свойства полимерных волокон для печати, оптимизируя их под конкретную научную задачу.
Так появилось направление создания функционализации полимеров для 3D‑печати. Полимерные волокна можно сделать более прочными и герметичными либо придать им совершенно новые свойства — например, заставить светиться. В этом случае деталь сама становится источником излучения в заданном диапазоне, поскольку «подсветка» уже встроена в материал. Такой подход позволяет упростить устройства для анализа химических веществ, так как один элемент совмещает в себе несколько функций.
Чтобы проверить эту гипотезу, химики Санкт-Петербургского университета совместно с учеными из Университета ИТМО напечатали кювету для спектрофотометра — одного из наиболее популярных приборов для определения содержания химических веществ. Принцип работы устройства довольно прост: через образец пропускают свет и фиксируют, насколько изменилась интенсивность излучения в зависимости от концентрации вещества.
«Мы взяли самый подходящий для печати в лабораторных условиях полимер полиэтилентерефталатгликоль (PETG), он водостойкий, прозрачный и химически устойчивый, добавили в него люминесцентные комплексы европия. Из получившихся полимерных волокон мы напечатали кювету, которая сочетает две функции: ее дно излучает свет на нужной нам длине волны, а в саму кювету помещается образец для анализа. В классическом спектрофотометре эти элементы разделены. Таким образом, для определения содержания интересующего нас вещества в смеси достаточно дешевого фонарика, напечатанной кюветы и камеры телефона. Мы фотографируем кювету и после обработки в ПО ImageJ получаем цветовой RGB-профиль. Окраска пикселей связана с концентрацией исследуемого вещества», — объяснила старший научный сотрудник кафедры аналитической химии СПбГУ Екатерина Бойченко.
RGB-профиль — профиль сочетания трех цветов: красного (R), зеленого (G) и синего (B).
Разработанный подход ученые СПбГУ применили для определения концентрации кобальта в смеси с другими ионами и аскорбиновой кислотой в присутствии глюкозы.
Как пояснила Екатерина Бойченко, разработка простых аналитических устройств особенно актуальна для получения информации в режиме реального времени, поскольку классический лабораторный анализ, при котором необходимо производить отбор образцов и ждать результаты, уже не покрывает все нужды современных производств и медицинских учреждений. Зачастую для принятия решений необходимо очень быстрое получение данных, поэтому компактные и дешевые устройства, способные быстро показывать результат, крайне востребованы.
С помощью предложенной химиками Университета технологии можно не только проводить количественный анализ многокомпонентных образцов, сочетая полимерные волокна со свечением на разных длинах волн, но и печатать детали с люминесцирующими участками. Например, микрофлюидные чипы с люминесцирующими каналами могут быть востребованы в качестве систем для диагностики вирусов, в том числе SARS-CoV-2. Ученые СПбГУ планируют продолжать эксперименты и напечатать несколько кювет с добавлением других комплексов в полимерные волокна для анализа биологических образцов.
Исследование выполнено в рамках проекта «Сочетание методов спектрального анализа и машинного обучения для малоинвазивной диагностики и контроля лечения заболеваний мочеполовой системы», поддержанного грантом Российского научного фонда.