Бразильские ученые создали биоразлагаемые «носимые» датчики для растений, позволяющие отслеживать их состояние, в том числе наличие пестицидов. Датчики изготовлены из углеродных чернил и нанесены методом трафаретной печати на прозрачный биопластик из ацетата целлюлозы.
Исследователи из Института физики Сан-Карлоса при Университете Сан-Паулу (IFSC-USP) в Бразилии под руководством Паулу Аугусто Раймундо-Перейры опубликовали результаты своей работы в журнале Biosensors and Bioelectronics: X.
Всемирный экономический форум включил разработку носимых сенсорных устройств в десятку лучших перспективных технологий 2023 года за ее потенциал в улучшении здоровья растений и повышении сельскохозяйственной производительности.
Большинство современных носимых устройств изготавливаются из невозобновляемых пластиковых полимеров, получаемых из нефти, и обладают плохой адгезией к неровным, волнистым и изогнутым поверхностям.
«Наш датчик, с другой стороны, изготовлен из ацетата целлюлозы — гибкого материала растительного происхождения, который можно получать из различных сельскохозяйственных отходов. Целлюлоза — самый распространенный природный полисахарид на Земле. Она обладает исключительной биосовместимостью, высокой термостойкостью и гибкостью. Она нетоксична, экономична, доступна по цене, биоразлагаема, легка и удобна в обращении», — отмечает Раймундо-Перейра.
По его словам, эти миниатюрные датчики можно прикреплять непосредственно к различным частям растений, включая стебли, кору и листья, для мониторинга температуры, влажности, обезвоживания, биомаркеров, болезней, уровня питательных веществ и наличия пестицидов: «Они позволяют проводить неразрушающее, быстрое, локальное и децентрализованное обнаружение, предоставляя биоинформацию в режиме реального времени о состоянии растения и факторах окружающей среды».
Каждая платформа на основе ацетата целлюлозы имеет два сенсорных блока, использующих различные аналитические методы для обнаружения трех классов пестицидов (например, дикват, карбендазим и дифениламин) за один анализ.
Один сенсорный блок использует вольтамперометрию с прямоугольным импульсом (SWV) для обнаружения диквата, а другой — дифференциальную импульсную вольтамперометрию (DPV) для анализа карбендазима и дифениламина.
По словам Раймундо-Перейры, каждый датчик стоит 0,077 цента: «Датчики одноразовые. Следовательно, они должны быть недорогими и биоразлагаемыми. Учитывая последовательную работу двух датчиков на одном и том же образце, устройству требуется три минуты и двадцать восемь секунд для выполнения всех измерений».
Идентификация проводится на поверхности растения, но в водной среде (капле воды), поскольку измерения выполняются на границе раздела между электродом и средой.
«Нам нужен этот водный раствор для измерения проводимости. В случае носимых датчиков капля воды помещается в те места, где проще всего произвести измерение. В центре листьев, в небольшом углублении на стебле помидора или яблока, в боковых бороздках болгарского перца, где также может скапливаться вода. Затем просто размещаем датчики, располагаем их над каплей и проводим измерение», поясняет ученый.
Платформа, содержащая два носимых датчика, интегрирована с коммерческим беспроводным портативным потенциостатом, что позволяет быстро оценивать концентрацию пестицидов и отображать результаты анализа в режиме реального времени на мобильном телефоне через Bluetooth.
В 2022 году команда уже создала перчатку с датчиками на кончиках пальцев для той же цели.
«Преимущество носимого датчика заключается в том, что его можно наносить непосредственно на образец, поскольку ацетатная пленка может принимать форму поверхности, на которую она накладывается, в то время как перчаткой необходимо трогать. Кроме того, перчатка изготовлена из небиоразлагаемого материала, тогда как носимый датчик полностью биоразлагаем и может быть использован повторно для изготовления новых датчиков», объясняет ученый.
По его словам, при определенных условиях можно сжечь использованные датчики и таким образом получить углеродные чернила для производства новых устройств.
Носимые датчики были протестированы на растениях после распыления на кожуру яблок и сладкого перца раствора агрохимиката концентрацией 1000 мкМ. Затем плоды оставляли сохнуть в течение пяти часов. Эта процедура имитировала реальные условия применения. Анализ пестицида на месте проводился путем прикрепления датчика непосредственно к поверхности плода с добавлением 500 мкл фосфатного буферного раствора.
Как отмечает Раймундо-Перейра, технология носимых датчиков находит применение во множестве областей.
«Можно обнаружить присутствие пестицидов в слюне человека или даже в водопроводной воде. Мы провели анализы. В образцы человеческой слюны и водопроводной воды добавляли пестициды, а затем анализировали их с помощью датчика для прогнозирования остаточных уровней. Эта технология очень полезна в сфере здравоохранения и может, например, использоваться для анализа компонентов, присутствующих в моче и поте», — рассказывает исследователь.
Идея адаптировать технологию для использования в сельском хозяйстве пришла к Раймундо-Перейре после стажировки у профессора Джозефа Вана в Центре носимых датчиков Калифорнийского университета в Сан-Диего (США).
«Поскольку значительная часть ВВП Бразилии сосредоточена в сельскохозяйственном секторе, я подумал: "Почему бы не адаптировать эту технологию?" За рубежом ее применение сосредоточено на людях. Например, ее используют для определения состава пота на коже. Датчик способен обнаруживать молочную кислоту, мочевую кислоту, глюкозу, кортизол, ионы натрия, ионы калия, ионы хлора, гормоны и лекарственные препараты. Но датчики, используемые на людях, изготавливаются из пластика на основе нефтепродуктов. Первые биоразлагаемые датчики, изготовленные из природных источников, созданы нами, и их можно адаптировать для использования человеком», — рассказывает исследователь.
В Национальный институт интеллектуальной собственности (INPI) поданы заявки на патенты на перчатку и носимый датчик.
В многопрофильную команду, разработавшую устройство, также входят исследователи Самирис Тейшейра, Нильда де Ф.Ф. Соарес и Тайла де Оливейра из Федерального университета Висоса.
Источник: FAPESP. Автор: Карина Нинни.
Преимущество носимого датчика заключается в том, что его можно наносить непосредственно на образец, поскольку ацетатная пленка может принимать форму поверхности. Изображение предоставлено Паулу А. Раймундо-Перейра.