Композит хитоозан‑пол(3,4‑этилендиоксифуроена)-пол(стиренсульфонат)-AuNPs для обнаружения ацетона с помощью плазмонического имидж‑сенсора

Подсказки в дыхании и более безопасные рабочие места

Ацетон наиболее известен как средство для снятия лака, но он также витает в воздухе на производстве, в лабораториях и даже в нашем собственном дыхании. Его концентрация в выдыхаемом воздухе может указывать на заболевания, такие как диабет, а в больших количествах на рабочем месте он представляет угрозу для здоровья и безопасности. В этом исследовании представлен новый оптический покрывной слой, который может быстро и селективно обнаруживать ацетон, даже в присутствии других распространённых спиртовых паров, открывая путь к портативным анализаторам дыхания и простым промышленным мониторам.

Почему нас интересует запах растворителя

Ацетон — это небольшая, легко воспламеняющаяся жидкость, используемая в качестве мощного очистителя и растворителя в фармацевтике, косметике, текстиле, красках и научных лабораториях. Поскольку он легко испаряется, люди часто подвергаются воздействию его паров. Врачи интересуются им по другой причине: ацетон в дыхании является ключевым «биомаркером» диабета и опасного состояния — диабетического кетоацидоза. Его измерение обычно требует сложного лабораторного оборудования. Компактное простое устройство, способное в реальном времени чувствовать следовые количества ацетона, могло бы помочь в наблюдении заболевания без забора крови и повысить безопасность на производстве.

Как свет используют для «ощущения» химии

Сердцем устройства в этой работе является имидж‑сенсор на основе резонанса поверхностных плазмонов (SPRi). Проще говоря, красный лазер проходит через стеклянный блок на тонкую золотую плёнку. Под определённым углом свет связывается с колебаниями электронов на поверхности металла, делая отражённый луч необычно тёмным. Эта тёмная точка крайне чувствительна к тому, что покрывает золото, и к любым парам, которые с ним контактируют. Когда молекулы ацетона оседают на специальном слое, нанесённом поверх золота, они тонко меняют способ отражения света. Камера фиксирует небольшие изменения в яркостном рисунке с течением времени, а компьютерный анализ преобразует эти изменения в меру того, насколько сильно пар взаимодействует с поверхностью.

Умное покрытие из панцирей ракообразных и золота

Исследователи создали две версии чувствительного покрытия. Обе основаны на хитозане — сахароподобном материале, часто получаемом из панцирей креветок, смешанном с проводящим пластиком, известным как PEDOT:PSS. Хитозан предоставляет многочисленные сайты, способные образовывать временные связи с ацетоном, тогда как пластик помогает передавать эти взаимодействия к чувствительному к свету золоту внизу. В улучшенной версии команда добавила крошечные золотые наночастицы, полученные методом лазерной импульсной абляции в жидкости. Микроскопия и спектроскопические тесты подтвердили, что эти частицы примерно сферические, хорошо распределены в плёнке и тесно связаны с окружающей полимерной и хитозановой сетью.

Наблюдение за связыванием ацетона в реальном времени

Для проверки работоспособности команда подвергла оба покрытия воздействию чистого паров ацетона и смесям ацетона с метанолом или этанолом — двумя распространёнными спиртами, которые могут вводить в заблуждение многие сенсоры. На угле, где отражённое изображение наиболее тёмное, они отслеживали, как меняется средняя яркость за секунды. Для обоих покрытий сигнал увеличивался по мере поглощения ацетона и затем снижался при его десорбции. Но версия с золотыми наночастицами реагировала быстрее и с гораздо большим изменением интенсивности — примерно в 1,6 раза чувствительнее основной плёнки, с очень низким порогом обнаружения. Когда ацетон был разбавлен этанолом или метанолом, сигнал уменьшался, примерно пропорционально меньшему содержанию ацетона. Примечательно, что при воздействии чистого этанола или метанола сигнал почти не менялся.

Почему золотые наночастицы имеют значение

Улучшенное поведение продвинутого покрытия обусловлено как химией, так и физикой. Хитозан содержит аминовые и гидроксильные группы, которые притягивают сильно полярную карбонильную группу ацетона через водородные связи и электрические взаимодействия. Проводящий пластик и хитозан вместе обеспечивают множество таких связывающих сайтов. Добавление золотых наночастиц усиливает локальное электрическое поле у поверхности и увеличивает плотность подвижных зарядов, делая оптический сигнал более отзывчивым на любое событие связывания. В результате молекулы ацетона вызывают гораздо большее изменение в отражённом световом рисунке, чем метанол или этанол, которые взаимодействуют со слоем слабее.

От лабораторной установки к практическим детекторам

Исследование показывает, что тонкая плёнка из хитозана, проводящего полимера и золотых наночастиц может служить высокоселективным «носом» для ацетона в сочетании с SPR‑имидж‑установкой. Метод не требует меток, опирается лишь на свет и обработку изображений и работает при комнатной температуре с простым оборудованием. Поскольку сенсор сильно реагирует на ацетон, но почти не реагирует на похожие спиртовые пары, его можно адаптировать для анализаторов дыхания для мониторинга метаболического состояния или для компактных мониторов, отслеживающих утечки растворителей на производствах и в лабораториях, обеспечивая доступный и чувствительный способ обнаружения этого важного химического соединения.

Цитирование: 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

Ключевые слова: датчик ацетона, анализ дыхания, плазмоническое изображение, золотые наночастицы, композит на основе хитозана