Ученые Томского политехнического университета предложили экспресс-способ визуального анализа продуктов питания — главным образом овощей и фруктов, а также напитков — на содержание тяжелых металлов, микроэлементов, нитратов и антиоксидантов. Для анализа используются небольшие прозрачные сенсоры из модифицированного оргстекла. При взаимодействии, например, с молекулами тяжелых металлов сенсоры меняют свой цвет. По интенсивности цвета можно судить о концентрации обнаруженного вещества.

Многие тяжелые металлы — металлы с атомным весом более 50 — участвуют в биологических процессах и в определенных количествах являются необходимыми для функционирования растений, животных и человека микроэлементами. Однако ряд тяжелых металлов являются токсичными и могут накапливаться в организме — в первую очередь, это свинец и ртуть. Эти металлы также могут накапливаться в продуктах, в том числе овощах и фруктах.

В свою очередь нитраты — это соли азотной кислоты, присутствующие во всех живых организмах и составляющие необходимую часть питания растений. Само по себе присутствие нитратов в организме человека естественно, но опасным может быть избыток этих веществ. Но продукты питания содержат не только вредные для человека вещества, но и полезные. К таким веществам можно отнести антиоксиданты. Они ингибируют окисление и защищают клетки нашего организма от внешних и внутренних токсических воздействий, в частности, нейтрализуют окислительное действие свободных радикалов.

«В России на федеральном уровне принята “Стратегия повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 года”, включающая расширение набора простых и экспрессных методов анализа продуктов не только для специализированных лабораторий, но и для бытовых нужд. Кроме того, естественной потребностью человека является желание знать, что он ест и пьет. Мы разработали метод бесприборного визуального анализа, чтобы каждый человек мог самостоятельно проверить продукты питания на самые разные показатели с высокой точностью, не используя специальных приборов и не обращаясь в лаборатории. Для этого мы используем полимер “полиметилметакрилат” — это оргстекло.

Мы его модифицируем таким образом, что полимер приобретает 3D-структуру и позволяет помещать в себя другие реагенты, взаимодействующие с тяжелыми металлами, нитратами, антиоксидантами или микроэлементами.

При контакте с полезными или токсичными веществами изначально прозрачный бесцветный полимер меняет цвет», — рассказывает научный руководитель проекта, профессор Инженерной школы природных ресурсов Михаил Гавриленко.

Такое модифицированное оргстекло относится к классу «дышащих» полимеров, буквально впитывающих в себя целевое вещество в течение нескольких минут. Для проведения анализа достаточно положить пластинку в кашицу измельченного продукта. И если, например, в яблоке есть нитраты, пластина станет желто-коричневой, а если тяжелые металлы, то покраснеет тем больше, чем выше их содержание. Такой простой метод визуального определения аттестован Росстандартом и внесен в реестр Федерального информационного фонда по обеспечению единства измерений.

Фото: образцы сенсоров.

«Реагенты включены прямо в прозрачную пластинку, но они не являются функциональной группой полимера, в данном случае полимер — лишь ячеистый контейнер для реагента. На сегодняшний день такой подход превосходит мировой уровень.

За рубежом поступают иначе — каждый раз под конкретную задачу реагенты встраивают в полимер как функциональную группу. Еще один зарубежный подход — полимеры и реагенты смешивают в неустойчивые структуры геля. И здесь возникает целый ряд проблем, в том числе и то, что далеко не каждый реагент можно встроить в структуру. Это делает зарубежные аналоги неустойчивыми. Наши же полимерные датчики могут храниться очень долго, не теряя своих свойств», — отмечает ученый.

По словам разработчиков, такие полимерные датчики для анализа сельскохозяйственной продукции актуальны для крупных оптовых поставщиков.

«Торговые сети, как правило, ведут закупки овощей, фруктов у крупных оптовиков. И если торговые сети имеют собственную систему контроля качества, то оптовики не всегда, и тем более из этой системы исключены непосредственно производители и фермерские хозяйства. В итоге от некачественного продукта страдают все, несут финансовые потери. Контроль продукции на тяжелые металлы, нитраты, пестициды можно проводить на месте закупки или прямо в поле у производителя, чтобы сразу определиться — закупать продукцию или нет», — говорит  Михаил Гавриленко.

Стоимость одного полимерного датчика для проведения анализа на месте не превышает нескольких десятков рублей, что в 20–30 раз дешевле традиционного метода спектрофотометрии. Кстати, сохраненные цветные пластинки могут быть использованы впоследствии и в обычном фотометрическом оборудовании для подтверждения результатов визуального определения.

Добавим, исследования политехников поддержаны грантами Российского научного фонда (14–19–00926 «Основанный на полимерных оптодах мобильный цветометрический экспресс-анализ природных и техногенных объектов на содержание опасных веществ»), Российского фонда фундаментальных исследований (16–43–700353 «Прозрачные полимерные оптоды для экспрессного мониторинга») и Фондом имени Д.И. Менделеева (AAAA-A17–117061510062–0 «Разработка простого сенсора для определения антиоксидантной активности пищевых продуктов»).

Справка:

ТПУ — участник Проекта 5–100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020-му году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования. .[note]