קומפוזיט כיטוזן-פול(3,4-אתילנדיאוקסיתיופין)-פול(סטרירן-סולפט)-ננו-חלקיקי זהב לגילוי אצטון באמצעות חיישן דימות פלזמוני

רמזים מהנשימה וסביבות עבודה בטוחות יותר

אצטון מוכר בעיקר כמסיר לק, אך הוא גם מתנדף במפעלים, מעבדות ואף בנשימתנו. רמתו באוויר הננוצח יכולה להעיד על מחלות כמו סוכרת, בעוד שרמות גבוהות במקום העבודה עלולות לסכן את הבריאות והבטיחות. המחקר הזה מציג ציפוי אופטי חדש שיכול לזהות אצטון במהירות ובסלקטיביות, גם בנוכחות אדי אלכוהול נפוצים אחרים, ופותח דרך למכשירי בדיקה ניידים לנשימה ומוניטורים תעשייתיים פשוטים.

מדוע חשוב לרחרח את הממיס

אצטון הוא נוזל קטן וקל להתלקחות המשמש כמנקה וממיס עוצמתי בתעשיות פארמה, קוסמטיקה, טקסטיל, צבעים ומעבדות מחקר. מאחר שהוא מתאדה בקלות, אנשים נחשפים לעתים קרובות לאדיו. רופאים מעוניינים בו ממניע אחר: אצטון בנשימה הוא סימן ביולוגי מרכזי לסוכרת ולמצב מסוכן הנקרא חמצת קטוטית סוכרתית. מדידה של אצטון בדרך כלל דורשת ציוד מעבדתי מורכב. מכשיר קומפקטי ופשוט שיכול לחוש כמויות זעירות של אצטון בזמן אמת עשוי לעקוב אחרי מצב מחלה ללא דקירות דם ולשפר את הבטיחות בסביבות תעשייתיות.

כיצד משתמשים באור כדי "לרחרח" כימיקלים

הלב של המכשיר בעבודה זו הוא חיישן דימות תהודה פלזמונית משטח (SPRi). בפשטות, לייזר אדום מאיר דרך קוביית זכוכית על גבי שכבת זהב דקה. בזווית מסוימת האור מזרים אנרגיה לתנודות אלקטרונים על פני המתכת, מה שגורם לקרן המוחזרת להכהות באופן יוצא דופן. הנקודה הכהה הזו רגישה מאוד למה שמצפה את הזהב ולשום אדי נוגע בו. כאשר מולקולות אצטון נוחתות על ציפוי מיוחד שמונח על הזהב, הן משנות במעט את אופן השתקפות האור. מצלמה מרשמת שינויים קטנים בדפוס הבהירות לאורך זמן וניתוח ממוחשב ממיר שינויים אלה למדד של עוצמת האינטראקציה של האדים עם המשטח.

ציפוי חכם מבתי צדפות וזהב

החוקרים יצרו שתי גרסאות של הציפוי הרגיש. שתיהן מבוססות על כיטוזן, חומר דמוי סוכר שמקורו לעתים בקרומי שרימפים, המעורבב עם פולימר מוליך הידוע כ-PEDOT:PSS. הכיטוזן מספק אתרי קשירה רבים היכולים ליצור קשרים זמניים עם אצטון, בעוד שהפולימר המוליך מסייע להעביר את האינטראקציות האלה לזהב הרגיש לאור שמתחתיו. בגרסה המשופרת הוסיפו החוקרים ננו-חלקיקי זהב זעירים שיוצרו יריית לייזר לעבר מטרה זהב בנוזל. בדיקות מיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה אישרו שהחלקיקים היו בערך כדוריים, מפוזרים היטב בסרט ומקושרים בחוזקה לרשת הפולימר/כיטוזן הסובבת.

צפייה בקשירת אצטון בזמן אמת

לבדיקת הביצועים החשיפה הצוות את שני הציפויים לאדי אצטון טהור ולתערובות של אצטון עם מתנול או אתנול, שני אלכוהולים נפוצים שיכולים לבלבל חיישנים רבים. בזווית שבה התמונה המוחזרת כהה ביותר הם עקבו אחר שינוי הבהירות הממוצעת על פני שניות. בשני הציפויים האות עלה כשאצטון נספג ואז ירד כששוחרר. אולם גרסת ננו-הזהב הגיבה מהר יותר ובשינוי עוצמה גדול בהרבה — כ-1.6 פעמים רגישה יותר מהסרט הבסיסי, עם סף זיהוי נמוך מאוד. כאשר אצטון מדולל באתנול או במתנול, האות התכווץ בהתאם, בקירוב בהתאמה לתכולת האצטון הנמוכה יותר. באופן בולט, חשיפה לציפוי בתוך אתנול או מתנול טהורים כמעט ולא שינתה את האות.

מדוע ננו-חלקיקי זהב עושים את ההבדל

ההתנהגות המשופרת של הציפוי המתקדם נובעת משילוב כימיה ופיזיקה. כיטוזן מכיל קבוצות אמין והידרוקסיל שמושכות את קבוצת הקרבוניל הקוטבית של האצטון באמצעות קשרי מימן ואינטראקציות חשמליות. הפולימר המוליך והכיטוזן יחד מציעים אתרי קשירה רבים כאלה. הוספת ננו-חלקיקי זהב מגדילה את השדה האלקטרי המקומי על המשטח ומעלה את צפיפות המטענים הניידים, מה שהופך את האות האופטית לרגיש יותר לכל אירוע קשירה. כתוצאה מכך מולקולות אצטון גורמות לשינוי גדול בהרבה בדפוס האור המוחזר בהשוואה למתנול או אתנול, האינטראקציות שלהן עם המשטח חלשות יותר.

ממערך מעבדה לגלאים מעשיים

המחקר מראה שסרט דק העשוי מכיטוזן, פולימר מוליך וננו-חלקיקי זהב יכול לשמש כ"אף" סלקטיבי מאוד לאצטון כשהוא משולב עם מערכת דימות SPR. השיטה נטולת תגיות, מתבססת על אור ועיבוד תמונה בלבד, ופועלת בטמפרטורת החדר עם חומרה פשוטה. מאחר שהחיישן מגיב בעוצמה לאצטון אך כמעט שאינו מבחין באדי אלכוהול דומים, ניתן להתאימו למנתחי נשימה לניטור מטבולי או למוניטורים קומפקטיים שינטרו דליפות ממיסים במפעלים ומעבדות, ובכך יספקו דרך נגישה ורגישה לזהות את הכימיקל החשוב הזה.

ציטוט: Sadrolhosseini, A.R., Bizhanifar, A., Akbari, L. et al. Chitosan-poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)-AuNPs composite for acetone detection using plasmonic image sensor. Sci Rep 16, 7069 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38050-4

מילות מפתח: חיישן אצטון, ניתוח נשימה, דימות פלזמוני, ננו-חלקיקי זהב, קומפוזיט כיטוזן