КБГУ и ЛЭТИ разработали сенсоры для ранней диагностики кетоацидоза при диабете

В результате плодотворного сотрудничества учёных Кабардино-Балкарского государственного университета имени Х. М. Бербекова (КБГУ) и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова разработано инновационное покрытие для газовых сенсоров, способное диагностировать опасное состояние при сахарном диабете – кетоацидоз.

Это стало возможным благодаря созданию уникальной стержневой структуры из оксида цинка (ZnO) и оксида цинка-олова (Zn2SnO4). В будущем разработка позволит выявлять пары ацетона в выдыхаемом человеком воздухе, что служит биомаркером нарушений обмена веществ при дефиците инсулина.

Процесс создания покрытия начался в лаборатории кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». С помощью гидротермального синтеза – метода получения химических соединений и материалов в водном растворе в условиях закрытой системы, высоких температур и давлений – на подложке с электрическими контактами были выращены наностержни оксида цинка (ZnO).

Затем тем же методом на эти наностержни ZnO были равномерно нанесены оболочки из соединения оксида цинка-олова (Zn2SnO4). Все образцы подверглись высокотемпературному отжигу для формирования кристаллического слоя оболочки.

Далее научная группа под руководством директора института электроники, робототехники и искусственного интеллекта КБГУ Замира Шомахова провела исследование реакции полученных наностержней на различные газы, в том числе ацетон. Для этого использовалось специальное оборудование, позволяющее измерять сопротивление и проводить анализ электрических свойств.

Результаты изучения показали высокую чувствительность образца к ацетону даже при его малой концентрации. Дополнительные исследования с помощью электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии позволили учёным КБГУ детально изучить структуру ZnO/Zn2SnO4.

Оказалось, что полученная структура повторяет форму и пространственную организацию неупорядоченно-ориентированных наностержней оксида цинка. На их поверхности формируется оболочка многокомпонентного оксидного соединения, обладающая оптимальным соотношением активных центров для селективного взаимодействия с парами ацетона.

Как известно, кетоацидоз – это серьёзное нарушение обмена веществ, возникающее 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 кетоацидоза 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.

Газовые сенсоры для детектирования ацетона в выдыхаемом человеком воздухе могут стать одним из решений проблемы.

«Предполагается, что сенсоры, разработанные совместно с ЛЭТИ, будут интегрированы в портативное устройство. Это позволит пациентам самостоятельно контролировать своё состояние и принимать своевременные меры, что приведёт к улучшению качества жизни и снижению риска осложнений», – отмечает директор Института электроники, робототехники и искусственного интеллекта КБГУ Замир Шомахов.

Результаты исследований представлены в научном журнале Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов.