FTMC doktorantas sukūrė jutiklį, kuris žada proveržį maisto pramonėje

„Po dvyliktos klasės nenorėjau studijuoti chemijos. Suvokti jos principus suvokiu, bet visos tos formulės... Sudėtinga jas atsiminti. Bet, kai įstojau į doktorantūrą, tik po pusės metų pastebėjau, kad jau pats tapau chemiku“, – juokiasi Vytautas.

Tiesa, jo darbų sritis yra elektrochemija, kuri kiek skiriasi nuo „įprastos“ chemijos. Kaip sako pašnekovas, pirmoji jam yra lengviau suprantama – o ir suteikia naujų galimybių mokslui: „Pavyzdžiui, folio rūgšties polimerizacija natūraliai nevyksta. Tačiau, pasitelkus elektrochemiją, galime tai padaryti.“

FTMC doktorantas galiausiai suprato, kad ir formulės ne tokios baisios kaip atrodė: „Svarbiau ne viską atsiminti, bet išmokti, kur ieškoti informacijos. Daugumos formulių, kurias naudoju darbe, iš atminties dabar nepasakyčiau – bet nesunku jas susirasti.“

Jaunasis mokslininkas su kolegomis birželio mėnesį publikavo straipsnį tarptautiniame žurnale „Chemosensors“. Jis sukūrė naujos kartos pH jutiklį, kuris, tikimasi, pravers maisto pramonėje – ir dar labiau padės gerinti įvairių produktų kokybę.

Vietoje valandos – vos 10 minučių laukimo

Bet iš pradžių nusikelkime į 2022-iuosius. Vilniuje vykusioje tarptautinėje elektrochemikų konferencijoje ESEAC V. Žutautas užėmė 2-ąją vietą Geriausio mokslinio pranešimo stendo kategorijoje. Tai yra plakatas, kuriame trumpai pristatomi pagrindiniai faktai apie mokslinį tyrimą ir jo rezultatai.

Lietuvio pranešimas buvo apie pH jutiklį, sukurtą naudojant stikliškosios anglies elektrodą, chitozaną ir folio rūgšties polimerą; pH parodo, kiek skystyje yra vandelinio jonų (H⁺), kitaip sakant, kiek skystis yra rūgštus arba šarmingas. pH 7 yra neutralus matas; kuo skaičius mažesnis, tuo tirpalas bus rūgštesnis, ir atvirkščiai – didesnis pH rodiklis reiškia didesnį šarmingumą.

Taigi, V. Žutauto sukurtas jutiklis sudarytas iš stikliškosios anglies (ji išlydyta, su labai lygiu kaip stiklas paviršiumi) elektrodo, ant kurio padengiama chitozano (cheminė medžiaga, gaunama iš vėžiagyvių kiautų) plėvelė. Tuomet dar ant viršaus „prilipdoma“ folio rūgštis (taip, ta pati, kurią geria nėščiosios). Tai įvyksta polimerizacijos būdu, kai keletas molekulių monomerų jungiamos į vieną – polimerą.

„Folio rūgštis reaguoja į pH, ir todėl, kai keičiamas krūvis, įvyksta pokyčių elektros srovėje – o iš to galime nustatyti, koks yra pH“, – pasakoja mokslininkas.

Jo jutiklis aptiko pH rodmenis tarp 6 ir 9, labiau „nukreiptas“ į šarminę pusę – tad tinkamas naudoti maisto pramonėje, ypač įrenginių, indų plovimui.

„Tai yra labai svarbu, nes, pavyzdžiui, pH pokytis gali lemti mėsos kokybę, skonį, kietumą. Taip pat tokie jutikliai skirti patikrinti plovimo įrenginius ar indus po to, kai jie būna išplauti – kadangi tokiam plovimui naudojami labai šarminiai skysčiai.

Jutiklis gali būti pritvirtintas prie gamyklos konvejerio paviršiaus, ir kai skystis ant jo patenka, dėl elektros srovės prietaisas atpažįsta, koks yra pH pokytis“, – sako pašnekovas.

Šiame stendiniame pranešime aprašyto jutiklio pH aptikimo jautris svyravo tarp 34–38 milivoltų per pH. Įvairių pasaulio mokslininkų tyrimuose šis skaičius gali būti iki 50 milivoltų – tačiau, pasak Vytauto, jo pagamintas įrenginys pranašesnis greičiu: pH pokytis aptinkamas maždaug per 10 minučių, o kitur tenka laukti pusvalandį ar valandą.

ESEAC konferencijos komisija įvertino lietuvio pasiekimus – o ir jam pačiam renginys buvo itin naudingas: „Buvo daug kalbėta apie metodikas, kurias aš naudojau. O kai stovėjau prie savo stendo, priėjo vienas mokslininkas ir papasakojo keletą naudingų dalykų apie chitozaną, kurių anksčiau buvau nežinojęs. Tai pravertė tolesniems tyrimams.“

Vietoje stiklo – lankstusis grafenas

Rudenį V. Žutautas turėtų ginti savo disertaciją. Jos tema (kurios pagrindu publikuotas minėtas straipsnis tarptautiniame žurnale) labai panaši, tik naudojami kitokie pagrindiniai jutiklio elektrodai (elektros laidininkai). Išbandęs keletą variantų, galiausiai V. Žutautas apsistojo ties lazeriu indukuoto grafeno elektrodu.

Čia pasitelkiamas poliimidas – elektros srovės nepraleidžianti plėvelė. Naudojant lazerį, poliimidas deginamas tol, kol jo paviršiuje susidaro plonytis grafeno sluoksnis. Šitaip gautas elektrodas yra lankstus, plokščias, todėl geriau pritaikomas (ir įdedamas) negu įprastas didesnis ir nelankstus stiklo elektrodas.

Tokiu pagrindu sukurto jutiklio jautris yra apie 30 milivoltų per pH.

Vytautui kalbant apie savo atradimą, ir vėl prasprūsta žodis „netyčia“. Kas nutiko?

„Įdomu tai, kad lazeriu indukuotas grafenas yra labai hidrofilinis – t. y. greit sušlampantis. Kai gaminama jo plėvelė, susidaro grioveliai. Bandymų metu vanduo patekdavo į juos ir pasklisdavo po visą elektrodą. Todėl, jei sušlapinsi vieną vietą, skystis pasklis po jį visą. O tai yra bėda, tad ieškojom priemonės, kaip grafeną padaryti hidrofobinį, nepralaidų vandeniui.

Kadangi bandymų metu elektrodą dengiau chitozanu, kad pagerintų sukibimą su folio rūgštimi ir stabilumą, netyčia pastebėjau, jog chitozanas yra hidrofobinis – bent jau sausa chitozano plėvelė. Ja pradėjau dengti elektrodo paviršių ir jį izoliuoti nuo elektros srovės.

Izoliavimui tai pat naudojome nagų laką – jis stabdo elektros srovę. Tačiau kartu jis įsiskverbia į anglį ir užblokuoja visą signalą. Tuomet iš pradžių paviršių padengėme chitozanu, ir tik paskui nagų laku – ir tada jau viskas buvo gerai. Elektros srovė tekėjo tik pro apačią, išsprendėme problemą, kaip izoliuoti kokios tik norime formos jutiklį.“

Maisto pramonėje panašūs pH jutikliai jau dabar užima svarbų vaidmenį, jų naudojama plačiai ir daug. Bet FTMC komanda turi ką pasiūlyti naujo ir geresnio.

Minėjome pH nustatymo greitį, bet, anot Vytauto, tai toli gražu ne viskas: „Pramonėje dauguma pH jutiklių yra stikliniai, o mūsiškis pagamintas plokščias ir lankstus. Jo storis – keli milimetrai, jį galima įkomponuoti į bet kokį indą ar prietaisą, kuriuose yra labai mažų tarpelių. Įprasti jutikliai į juos netilptų. Mūsų jutiklio „jautrioji“ dalis, kuri matuoja pH, galėtų būti išorėje, o likusi, su visa elektronika – „paslėpta“ indo ar prietaiso viduje.“

FTMC doktorantas pabrėžia ir dar vieną išskirtinį privalumą. Įprastus jutiklius prieš kiekvieną pH matavimą būtina kalibruoti, t. y. sureguliuoti matavimo prietaisą, kad jo rodmenys būtų teisingi ir neviršytų leistinos nuokrypos. Įprastai tai vyksta patikrinant, ar jutiklio rodmenys atitinka etaloninį standartą (šiuo atveju, pH skalę).

Tuo metu FTMC jutiklį pakanka sukalibruoti vos vieną kartą, ir šis stabilumas gali praktiškai nekisti keletą mėnesių. „Tai yra greičiau, patogiau ir nereikalauja papildomų tirpalų“, – paaiškina doktorantas.

Nauji daug žadantys planai

Sukūrus naująjį pH jutiklį, FTMC užduotis (kaip dažnai tokiais atvejais būna) – kaip šiuo prietaisu sudominti pramonę. Tačiau tuo Vytauto Žutauto atradimai tikrai nesibaigs: jeigu viskas bus gerai, rudenį planuojamas naujas įdomus projektas, susijęs su lazeriu indukuoto grafeno jutikliais. „Ir greičiausiai aš būsiu šio projekto komandos narys“, – šypsosi mokslininkas.

Ką jis su komanda darys?

„Norime sukurti ant žaizdų klijuojamą pleistrą-jutiklį. Jame esantis grafenas pagerintų žaizdų gijimą, taip pat pagal pH ir kitus rodmenis nustatytų, kokios būsenos yra žaizda.

Šiam tikslui planuojame bendradarbiauti su keliais užsienio institutais. Jie turėtų gaminti patį pleistrą, kurti grafeną, o mes užsiimtume visa elektrochemija“, – sako Vytautas.

Simonas Bendžius, Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC)