Czujnik wykryje skażenie

Prototypowy czujnik, opracowany przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, pozwoli w przyszłości szybko i pewnie wykrywać produkty skażone melaminą. Dzięki wykorzystaniu procesu wdrukowywania molekularnego, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie zbudowali unikatowy czujnik chemiczny (chemosensor) do selektywnego wykrywania melaminy. Substancja ta bywa nielegalnie stosowana w celu zawyżania zawartości białek w produktach spożywczych, mierzonej za pomocą detektorów badających ilość azotu w próbce. – Zaprezentowana przez nas metoda wykrywania i oznaczania stężenia melaminy pozwala przeprowadzać pomiary z dokładnością, którą dotychczas mogliśmy uzyskać wyłącznie w laboratorium – mówi prof. Włodzimierz Kutner (IChF PAN). Urządzenie, przetestowane w warunkach laboratoryjnych, zostało zgłoszone do opatentowania. Złą sławę melamina zdobyła po skandalu z chińskim mlekiem. W drugiej połowie 2008 roku trafiła do produktów mlecznych produkowanych w Chinach, w tym do odżywek dla niemowląt. Skażone produkty wykryto później w sklepach na całym świecie, w tym w Niemczech i na Słowacji. Problemy ze zdrowiem miało 300 tys. osób, hospitalizowano 50 tys. niemowląt, sześcioro z nich zmarło. Melamina jest stosowana w przemyśle do wytwarzania materiałów polimerowych, służących do produkcji klejów, blatów i naczyń kuchennych, nawozów sztucznych i barwników (nie należy jej jednak mylić z melaniną, barwnikiem odpowiedzialnym m.in. za kolor tęczówki). Po przedostaniu się do organizmu, melamina w połączeniu z kwasem cyjanurowym – detergentem używanym do sterylizowania opakowań żywności – tworzy żółte złogi w kanalikach nerkowych, co prowadzi do poważnych problemów zdrowotnych; w skrajnych przypadkach mogą się one zakończyć nawet śmiercią. Dotychczas precyzyjne testy na obecność melaminy można było przeprowadzać wyłącznie w laboratoriach. – W przemyśle spożywczym stosowano metody pośrednie, polegające na określaniu zawartości azotu w próbce – wyjaśnia prof. Kutner. – Wybór azotu nie był przypadkowy, jest to bowiem pierwiastek występujący głównie w białkach. Melamina zawiera bardzo duże ilości azotu: stanowi on aż 2/3 jej masy. Z tego powodu w Chinach powszechnie dodawano ją do rozcieńczonego wodą mleka. Czujniki wskazywały obecność dużych ilości azotu w produktach, co sugerowało wysoką wartość odżywczą próbek. Opracowany w IChF PAN detektor reaguje nie na azot, a bezpośrednio na melaminę. – Gdy badany roztwór przepływa przez warstwę detekcyjną naszego chemoczujnika, tylko cząsteczki melaminy pasują do znajdujących się w niej luk molekularnych i tylko one mogą w nich ugrzęznąć – opisuje prof. Kutner. Warstwa detekcyjna jest osadzona na elektrodzie rezonatora kwarcowego. Gdy cząsteczki melaminy wypełniają luki, wzrasta masa warstwy, co prowadzi do łatwych do zmierzenia zmian częstotliwości drgań rezonatora. Po pomiarze cząsteczki melaminy można wypłukać, dzięki czemu czujnik nadaje się do ponownego użycia. Kluczowym elementem chemoczujnika jest warstwa detekcyjna grubości kilkuset nanometrów. Warstwę tę wytwarza się metodą wdrukowywania molekularnego. Melaminę miesza się z monomerem funkcyjnym, którego cząsteczki otaczają cząsteczki melaminy. Do roztworu wprowadza się teraz kolejny monomer (sieciujący), poddawany następnie kopolimeryzacji z monomerem funkcyjnym. Z tak powstałej, utwardzonej struktury wypłukuje się cząsteczki melaminy. Rezultatem jest porowate, przestrzenne sito, w którego lukach mogą się zakotwiczyć tylko cząsteczki melaminy. We współpracy z Instytutem Fizyki PAN podjęto również badania, których celem jest wyeliminowanie wrażliwego na warunki pracy rezonatora kwarcowego. Jego rolę pełniłyby półprzewodnikowe struktury tranzystorowe. Ich obszary bramkowe można pokrywać warstwami detekcyjnymi wdrukowanych molekularnie polimerów. Wykorzystanie tych struktur otworzy drogę do komercjalizacji wynalazku. Prace nad chemoczujnikiem melaminy są realizowane w ramach grantu obejmującego budowę nanostruktur kwantowych „Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie – Rozwój i komercjalizacja nowej generacji urządzeń diagnostyki molekularnej opartych o nowe polskie przyrządy półprzewodnikowe”. Grant o wartości ponad 73 mln złotych, jest finansowany w 85% z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, działającego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013; pozostałą część finansuje budżet państwa. W grancie uczestniczą: Instytut Fizyki PAN (koordynator grantu), Instytut Chemii Fizycznej PAN, Instytut Wysokich Ciśnień PAN oraz Instytut Biologii Doświadczalnej PAN, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej, Instytut Technologii Elektronowej i Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego. Źródło: IChF PAN, G. Krzyżewski