Введение 4
1. Обзор литературы 6
1.1. Оптические датчики на основе ионофоров 6
1.2. Применение оптических сенсоров в реальных объектах 9
2. Экспериментальная часть 19
2.1. Реактивы и материалы 19
2.2. Оборудование 20
2.3. Технология изготовления жидкой мембранной композиции, оптодов и массива для измерения 21
2.4. Проведение измерений и обработка экспериментальных данных 22
3. Обсуждение результатов 24
3.1. Вывод теоретического уравнения отклика 24
3.2. Оптимизация сенсорной системы для анализа пота 25
3.3. Оптимизация материалов для анализа крови 33
3.4. Оптимизация материалов и геометрии массива сенсоров для анализа гидропонных сред 37
Заключение 43
Выводы 44
Список цитированной литературы 45
Сенсорные системы используются уже на протяжении более 100 лет. В последнее время эта область науки имеет всё большее применение в лабораторной практике. Вместе с этим в научных исследованиях, посвященных сенсорам, уделяется большое внимание и их теоретическому описанию, в особенности это касается класса химических сенсоров. Согласно определению IUPAC, химический сенсор — это устройство, преобразующее концентрацию или другую величину, описывающую содержание компонента в пробе, в аналитический сигнал [1]. При этом на данный момент наиболее актуальны системы, которые способны предоставлять информацию не о концентрации вещества в растворе, а об его активности, так как именно информация об ионных активностях используется в практически важных областях знаний, например, в медицине. Примером таких химических сенсоров могут служить оптоды — оптические химические сенсоры, которые преобразуют информацию об активности аналита в исследуемой водной фазе в оптический аналитический сигнал.
Оптоды пригодны для исследования объектов различной природы, начиная от простых двухкомпонентных систем (например, растворов солей) до сложных биологических жидкостей (таких как кровь, слюна и т.д.). Они позволяют проводить неразрушающий анализ вещества, при этом возможно проведение on-line или in-line дистанционного анализа, так как оптоды не нуждаются в прямом доступе к энергопитанию. Данный класс сенсоров является весьма перспективным для внедрения в рутинную аналитическую практику: он не требует долгой и трудоёмкой пробоподготовки, считывание аналитического сигнала может осуществляться с помощью дешёвых и простых в использовании приборов, например, цветной фотокамеры [2]. Оптический сигнал возникает вследствие специфического взаимодействия активных компонентов оптода с аналитом, в результате которого оптические свойства, например, цвет или флуоресценция сенсора, изменяются. Одним из дальнейших путей развития данной области является изучение различных материалов и активных молекул, которые позволят оптимизировать отклик рассматриваемого класса сенсоров.
Изучение литературных источников позволяет сделать вывод, что системы на основе оптических сенсоров хотя и активно разрабатываются в лабораториях, гораздо реже применяются в реальных условиях. Основная проблема, которая решалась в ходе работы, - это возможность применения сенсорных систем in situ. В ходе исследования были опробованы различные материалы для создания датчиков, работоспособных в реальных условиях. Подобраны наиболее оптимальные материалы для проведения анализа биологических жидкостей. Также предложена рабочая модель массива оптических сенсоров, в перспективе позволяющая проводить анализ пота в режиме in situ с использованием камеры телефона. Полученные результаты могут быть обобщены и для создания сенсорных массивов, применимых для других аналитических задач.
В дипломной работе были исследованы перспективы применения массивов оптических сенсоров in situ для анализа пота, крови и гидропонных сред. Были изготовлены датчики с диапазонами отклика, соответствующими содержанию основных ионных компонентов в данных средах, была подтверждена потенциальная возможность проведения мультианалитного анализа при совместном присутствии аналитов на планарной подложке. Были выделены основные общие практические проблемы при применении сенсоров in situ, проанализированы пути решения этих проблем. С учётом специфики каждой аналитической задачи были исследованы различные материалы в качестве кандидатов для создания применимой мультианалитной сенсорной платформы. В этом состояла основная часть работы. Данный подход к платформе оптических сенсоров позволил путём оптимизации отдельных слоёв подобрать такие условия проведения анализа и материалы, которые в потенциале позволят использование оптические сенсоры для in situ мониторинга крови, пота и гидропонных сред. Таким образом, цель работы, а именно - разработка универсального подхода к созданию массивов оптических сенсоров для решения прикладных аналитических задач in situ, была достигнута. Но в связи со сложившейся санитарно-эпидемиологической обстановкой, не удалось создать прототипы рабочих платформ для определения аналитов. Не удалось также многократно воспроизвести данные градуировок, разобраться в причинах их отклонений от теории и эпизодической невоспроизводимости. Также не удалось протестировать все имеющиеся в наличии материалы для использования в качестве защитных покрытий. Автор надеется закончить исследование после снятия карантинных мер.
