Фермеры и садоводы регулярно используют химикаты для защиты урожая от вредителей, но остатки таких веществ на плодах и листьях могут навредить здоровью людей. Раньше проверка на наличие пестицидов требовала отправки образцов в лабораторию и ожидания результатов несколько дней, а новые биоразлагаемые датчики бразильских ученых позволяют получить данные прямо на грядке всего за три минуты. Разработка уже привлекла внимание Всемирного экономического форума, который включил подобные носимые сенсоры в топ-10 перспективных технологий 2023 года.
Материал из отходов сельского хозяйства
Группа исследователей из Института физики Сан-Карлос при Университете Сан-Паулу под руководством Паулу Аугусто Раймундо-Перейры создала устройства, которые крепятся прямо на стебли, кору или листья растений. Основа датчика — ацетат целлюлозы, материал, который получают из разных видов сельскохозяйственных отходов. Целлюлоза — самый распространенный природный полисахарид на планете, поэтому сырья для производства много. В отличие от большинства современных носимых устройств, которые делают из нефтеполимеров, новые сенсоры не вредят окружающей среде. Результаты работы опубликованы в научном издании по биосенсорике.
- высокая биосовместимость с растениями;
- устойчивость к перепадам температур;
- гибкость, позволяющая повторять форму любой поверхности;
- отсутствие токсичных веществ;
- полная биоразлагаемость после использования.
Как происходит измерение веществ
На одной платформе из ацетата целлюлозы размещают два блока датчиков, каждый из которых работает по своему методу анализа. Вместе они за одну проверку выявляют три класса пестицидов: дикват, карбендазим и дифениламин. Для работы устройству нужна капля воды, которая обеспечивает проводимость тока. Измерения проводят на границе между электродом и средой, поэтому каплю помещают в естественные углубления на поверхности растения: на стебле томата, в центре листа или в бороздках болгарского перца.
Они позволяют проводить неразрушающую, быструю, локальную и децентрализованную проверку, давая информацию о здоровье растения и факторах окружающей среды в реальном времени.
- нанести каплю фосфатного буфера на поверхность растения или плода в углубление (например, в впадину на стебле томата или центр листа);
- закрепить датчик поверх капли так, чтобы он плотно прилегал к поверхности;
- запустить измерение через портативный потенциостат, который передает данные на смартфон по Bluetooth;
- получить результат через три минуты двадцать восемь секунд.
Стоимость и экологичность устройства
Одно устройство стоит всего 0,077 центов, поэтому его можно использовать однократно, не тратя много денег. После проверки датчик не нужно выбрасывать в обычный мусор — его можно сжечь при определенных условиях, чтобы получить углеродные чернила для производства новых сенсоров. Это замкнутый цикл, который не вредит окружающей среде. Ранее эта же группа ученых создала перчатку с датчиками на кончиках пальцев для проверки еды на пестициды, но новое устройство удобнее: оно принимает форму поверхности, к которой крепится, и полностью разлагается в почве.
- не содержит пластика, полученного из нефти;
- лучше прилегает к неровным и изогнутым поверхностям растений;
- не требует демонтажа после использования.
Где еще пригодится разработка
Ученые уже тестировали устройства на яблоках и болгарском перце: на плоды распыляли 1000 микромоль раствора агрохимикатов, давали высохнуть пять часов, а потом крепили датчики прямо на кожуру. Результаты совпали с лабораторными анализами. Раймундо-Перейра отмечает, что технологию можно адаптировать и для других задач. Идея использовать подобные сенсоры для сельского хозяйства пришла к нему во время стажировки в Центре носимых сенсоров Университета Калифорнии в Сан-Диего: в США технологию применяли для анализа пота и крови людей, а в Бразилии, где сельское хозяйство дает большую часть ВВП, ее решили адаптировать для растений.
- проверка питьевой воды на наличие остатков химикатов;
- анализ слюны человека на следы пестицидов;
- исследование состава мочи и пота для медицинских целей.
Сейчас команда готовит документацию для массового производства устройств.
Разработка уже запатентована: заявки поданы в Национальный институт промышленной собственности Бразилии. В состав группы, помимо Раймундо-Перейры, входят исследователи из Федерального университета Висосы. В ближайших планах — внедрение технологии в сельское хозяйство, где она поможет фермерам контролировать состояние посевов, а обычным людям — проверять безопасность покупных фруктов и овощей.
