Українські вчені створили біодатчик, який не тільки працює, а й приносить користь

У всьому різноманітті наукових і технічних напрямків розвитку світової промисловості, є такий, у якому Україна може стати конкурентом іншим країнам. Це розроблення та виробництво датчиків для вимірювання тих або інших параметрів.

Саме цим займається група, до якої входять учені з декількох академічних інститутів, а також «технічна база» — київський завод «Меридіан» ім. С.П.Корольова. За фундаментальне дослідження «Створення мікроелектронних датчиків нового покоління для інтелектуальних систем» і розроблення близько 50 нових типів сенсорів авторський колектив висунуто на здобуття Державної премії України за 2011 рік.

Сьогодні слово «сенсор» для багатьох асоціюється з екраном мобільного телефона, що відгукується на дотик пальця. А ще років десять тому таких «розумних» пристроїв у масовому користуванні не було. Порівняно недавно з’явилися й датчики, здатні сканувати радужку ока або відбиток пальця. Сенсори можуть визначати тисячі параметрів, у тому числі фіксувати явища, не доступні людським органам чуттів.

Особливо гостро питання про створення нових типів датчиків постало останнім часом, коли з’явилася мікроелектронна апаратура, здатна аналізувати буквально все, про що в неї запитають. Якщо, звичайно, запитають грамотно й із достатнім набором вихідних даних, які й мають поставляти сенсори. Датчики є посередниками між зовнішнім світом і комп’ютерами. Що далі, то більшою ставатиме потреба в пристроях, здатних бути для машин очима, вухами, носом і ще сотнями інших «органів чуттів». І якщо Україна, на жаль, відстала в комп’ютерній гонитві, то в створенні сенсорів для різних вимірів у нас є цілком конкурентні наробітки.

Дізнатися про самопочуття листя

Один із таких багатообіцяльних напрямків — біодатчики, створені на межі між живою й неживою матерією. Такі технології сьогодні тільки розвиваються. Спільний колектив учених з Інституту кібернетики ім. В.Глушкова та Інституту фізики напівпровідників ім. В.Лашкарьова НАН України сконструював сенсори, що реєструють рівень фотосинтезу в листі рослин. Яке практичне застосування можуть мати такі прилади, розповідає керівник групи, завідувач відділу Інституту кібернетики Володимир­ ­Романов:

— Біосенсори — це вимірювальні пристрої, де роль чутливого елемента виконує жива матерія. Це можуть бути окремі клітини або листя рослин. Якщо якимсь чином їх збудити, вони стануть джерелами певного виду сигналів. Біосенсори можуть бути індикаторами зміни стану рослин, повітря, води. Зокрема, під моїм керівництвом розроблено родину приладів під загальною назвою «Флоратест», які дозволяють стежити за фотосинтезом. Зрозуміло, що вимірювати цей процес прямими методами неможливо — для цього треба вбити саму рослину й подивитися, як вона розвивалася. Тому для роботи сенсорів обрано інший метод.

Якщо освітити синім світлом хлорофіл у листі, у ньому почнеться процес фотосинтезу, що дає свою певну лінію в спектрі: лист світитиметься в червоній його ділянці (за принципом Паулі). Це світіння можна зареєструвати за допомогою фотодіода, налаштованого на певну частоту. У приладу є кліпса, за допомогою якої легкий датчик із фотодіодом прикріплюється до листа, а вона, у свою чергу, з’єднується з мобільним базовим блоком. На панелі «Флоратесту» є кілька кнопок керування й екран, куди виводяться крива від фотодіода й числові значення, що визначаються мікрокомп’ютером.

За кривою світності можна поставити діагноз всій рослині після якогось впливу на неї — заморозків, поливу, внесення добрив або пестицидів. Так, можна визначити, після якої дози пестицидів фотосинтез у рослині припиниться. Тоді під час хімічної прополки бур’янів не треба буде вносити на поле зайву отруту. Аналогічно ми визначали за допомогою сенсорів, скільки треба води для штучного зрошення, що дозволяє істотно заощаджувати водні та енергоресурси. На дослідних полях ми одержали економію в десятки тисяч гривень. Є методики, що дозволяють виявити хворі й слабкі рослини.

Зрозуміло, самі по собі сенсори не можуть дати ніяких рекомендацій. Тому вони підключені до інтелектуальних систем. У приладі є вбудований мікрокомп’ютер, і завдання нашої групи — розроблення електроніки та програмного забезпечення для таких систем, щоб за серією даних можна було побудувати криву й на її основі дати чіткі відповіді про стан рослин. Ми проводимо виміри цим методом і порівнюємо їх із показниками стандартного біохімічного­ аналізу. До речі, на відміну від нашого трихвилинного тесту, «біохімію» роблять два тижні, коли втрутитися в процес уже майже неможливо.

Ми проводили випробування на різних полях, у тому числі й у Німеччині, і зараз складаємо рекомендації для агрономів — користувачів нашого приладу: які криві з фотосинтезу є оптимальними для різних рослин, за яких параметрів треба поливати, за яких — додати добрив і так далі.

Кожному запаху — власний «ніс»

— Наскільки я розумію, «Флоратест» — лише один із багатьох сенсорних приладів, створених в Україні. Розкажіть, будь ласка, про інші розробки.

— Інтелектуальні системи нового покоління, створені в Інституті молекулярної біології та генетики НАН України, в Інституті електродинаміки, в Інституті фізики напівпровідників, містять у собі біосенсори і цілі біоматриці. Працюючи разом із вбудованим мікрокомп’ютером, вони можуть виконувати роль штучного носа або язика. Їхня чутливість дозволяє визначити одну молекулу шкідливої речовини серед мільйонів інших.

Такі системи вже зараз можна використовувати в контейнерах або рефрижераторах для контролю якості продуктів харчування. Є розробки для виявлення вибухових та інших заборонених речовин на вокзалах або в аеропортах. Майже готовий мобільний прилад для визначення сірководню. Такий «ніс» допомагає уникнути трагічних випадків, які, на жаль, трапляються, коли копають колодязі, льохи, виконують інші роботи, де існує небезпека викидів сірководню. Під час його розробки застосовані нові матеріали на основі наноструктурованого кремнію.

Або інший приклад. У Львівському політехнічному інституті створений мініатюрний датчик вимірювання внутрішньочерепного тиску, який можна застосовувати для діагностики черепно-мозкових травм. Він успішно пройшов клінічні випробування й уже використовувався в нейрохірургічному відділенні Львівської лікарні швидкої допомоги. Створено мініатюрні датчики для вимірювання тиску в черевній порожнині під час гастроентерологічних досліджень, диференціального тиску для діагностики захворювань вуха. На замовлення будівельників розроблено набір датчиків сили для відстеження руйнівних навантажень на залізобетонні конструкції. На основі біосенсора створено прилад для експрес-тесту на пташиний вірусний грип.

До речі, одна із сенсорних систем, створених нашим колективом, використовується й у роботі знаменитого Великого адронного колайдера у Швейцарії. Це спеціальні сканувальні мікроскопи, що дозволяють вимірювати надмалі відстані пробігу частинок під час розпаду. У нас вони застосовуються для визначення якості матеріалів у електронній і наноелектронній промисловості. Такі надмалі проміжки ці прилади можуть вимірювати шляхом високочастотного сканування.

До речі

Після землетрусу в Японії та аварії на атомній станції «Фукусіма» до українських учених звернулися японці: їм не вистачало дозиметрів. Завод «Меридіан», що входить до складу групи ­Володимира Романова, зумів швидко налагодити випуск дозиметрів для Японії.