С пищей в организм человека поступают все необходимые для его жизнедеятельности вещества, а именно, белки, жиры, углеводы, витамины и минералы. Первые три из них являются многокомпонентными и находятся в пище в связанном виде, поэтому не могут усваиваться организмом человека в таком виде. При попадании пищи в ротовую полость и в процессе её дальнейшего продвижения по пищеварительному тракту она подвергается механическому воздействию, а также действию ферментов. Для расщепления каждой из группы веществ имеются свои определенные ферменты: для белков — протеазы, для жиров — липазы, для углеводов — карбогидразы. В выработке пищеварительных ферментов важное значение имеют различные железы: железы ротовой полости (слюнные железы), железы желудка и тонкого кишечника, поджелудочная железа, а также печень. Одна из главных ролей в пищеварении отводится поджелудочной железе, которая вырабатывает не только пищеварительные ферменты, но и гормоны, такие как инсулин и глюкагон. Именно они участвуют в регуляции белкового, углеводного и липидного обменов.
При нарушении процессов пищеварения у людей появляются различные симптомы, (дисфагия, боль, слюнотечение, изжога, рвота и т. д.), возникающие в ответ на изменение физиологических процессов в желудочно-кишечном тракте. Всё это приводит к дестабилизации химических реакций, протекающих в организме. Следовательно, диагностику различных заболеваний желудочно-кишечного тракта можно производить по концентрациям органических и неорганических соединений, которые присутствуют в организме как здорового, так и больного человека.
На современном этапе развития науки актуально использовать неинвазивные методы диагностики заболеваний. К таким методам относится метод исследования заболеваний желудочно-кишечного тракта по выдыхаемому воздуху.
Известно, что одним из важнейших факторов существования живых организмов является их газообмен с окружающей средой. Его основу составляют поглощение кислорода и выделение паров воды и углекислого газа, происходящие при внешнем дыхании и обусловленные в основном энергозатратами организма. Эти процессы настолько интенсивны, что изменения концентрации кислорода и углекислого газа вследствие дыхания достигают нескольких процентов (>3 %) от суммарного состава выдыхаемого воздуха [1].
Концентрации газов, указанных выше, а также других более легких газообразных соединений могут изменяться при различных заболеваниях пищеварительной системы. Это может быть маркером нарушения биохимических процессов, возникающих при патологии в данной системе органов. Определение концентрации химических соединений в выдыхаемом воздухе с использованием газовых сенсоров позволит на ранних стадиях неинвазивно диагностировать заболевание, а также предоставит возможность постановки предварительного диагноза.
Особого внимания заслуживает ранняя диагностика заболеваний пищеварительной системы. Маркером расстройства пищеварения, проявляющегося диспепсией, являются такие газы, как водород и метан. Концентрация водорода в данном случае будет превышать 15ppm, а концентрация метана — 5 % от всего объёма выдыхаемого воздуха. При дальнейшем прогрессировании данных процессов возникает явление мальабсорбции, которое проявляется нарушением всасывания и усвоения питательных веществ в тонкой и толстой кишке. К примеру, недостаток растительной клетчатки в пище, нерациональное питание (систематическое нарушение режима питания, злоупотребление острой пищей, алкоголем и т. д.), действие условно-патогенных и патогенных микроорганизмов приводят к развитию воспалительных заболеваний желудочно-кишечного тракта, таких как колит, энтерит, гастрит. Данное нарушение функционирования пищеварительной системы может идентифицироваться по наличию в выдыхаемом воздухе оксида азота (NO) в концентрации 10–100 ppb и более.
Другие заболевания пищеварительной системы также сопровождаются изменением концентрационного газового состава выдыхаемого воздуха. Заключение об имеющемся у человека гепатите и циррозе, к примеру, можно сделать по наличию в выдыхаемом воздухе аммиака (NH3) и сероводорода (H2S) в концентрации > 10 ppmи > 0,1ppmсоответственно. При этом концентрация данных газов при циррозе печени может увеличиваться в 2–3 раза по сравнению с гепатитом.
Таким образом, наиболее информативными газами, содержащимися в выдыхаемом воздухе человека и являющимися маркерами заболеваний желудочно-кишечного тракта, считаются сероводород, аммиак и водород. Рассмотрим особенности детектирования данных газов полупроводниковыми сенсорами на основе модифицированного диоксида олова.
Механизм взаимодействия модифицированного нанокристаллического диоксида олова с газообразным сероводородом определяется природой модификатора, температурой, парциальным давлением сероводорода и кислорода в газовой фазе [2].
Сенсорный отклик к сероводороду формируется за счёт его окисления различными формами кислорода на поверхности полупроводника, идущего по схеме:
,
где S′ — свободный адсорбционный центр.
Роль модификатора в данном процессе заключается только в увеличении адсорбции сероводорода на поверхность полупроводника, что сопровождается облегчением гетеролитического разрыва связей S-H. Для этого необходимо увеличить отрицательный заряд на атомах кислорода, т. е. модифицировать поверхность SnO2 более слабой кислотой Льюиса — ввести оксид металла с меньшим 
(q — заряд катиона модификатора, r — его радиус). Увеличение чувствительности при этом подтверждается экспериментальным путём
Максимальной чувствительностью к H2S обладают нанокомпозиты состава SnO2-CuO и SnO2-NiO (S ~ 1000…10000, где S — чувствительность, определимая как относительное изменение сопротивления сенсора при воздействии на него газа-анализатора в заданной концентрации).
Существенное изменение сопротивления нанокомпозитов SnO2-CuO обусловлено, по всей видимости, образованием сульфида меди (I) — узкозонного полупроводника:
6CuO + 4H2S(g) → 3Cu2S + SO2(g) + 4H2O(g).
В результате данного взаимодействия происходит снятие потенциального барьера на границе гетероперехода p-CuO/n-SnO2, что приводит к уменьшению сопротивления пленки.
Механизм взаимодействия сероводорода с нанокомпозитами состава SnO2-NiO отличается от вышеизложенного. Атомы двухвалентного никеля при образовании твердого раствора замещения в оксиде олова являются акцепторной примесью, что приводит к компенсации донорного действия вакансий в подрешетке кислорода в SnO2. Молекулы сероводорода, адсорбируясь на поверхности сенсора, могут атаковать связи NiSn–O, энергия которых отличается от энергии связи SnSn–O, что позволяет замещать кислород в кристаллической решетке на серу. Эти процессы, приводящие к экранированию атома никеля, снимают эффект компенсации и уменьшают сопротивления сенсора.
Сенсорный отклик к аммиаку [3], как и в случае сероводорода, формируется за счёт окисления различными формами кислорода:
.
Роль модификатора, как и в случае сероводорода, сводится только к изменению концентрации молекул, адсорбированных на поверхности SnO2. Отличие от сероводорода состоит в том, что при модифицировании поверхности более сильными кислотами Льюиса, чем Sn+4 (Mo+6, V+5), приводит к увеличению сенсорного сигнала, а модификация катионами меньшего снижает количество адсорбированного аммиака, что уменьшает чувствительность слоя.
Особенностью детектирования аммиака является возможность переноса электронной плотности при образовании донорно-акцепторной связи, что приводит к уменьшению сопротивления:
При детектировании водорода его молекулы адсорбируются на поверхности полупроводников n-типа в качестве доноров, инжектируя электроны в объем. Адсорбция может сопровождаться диссоциацией или разложением молекул. Максимальной чувствительности в этом случае можно достичь, легируя SnO2 такими модификаторами, как Pt, Pd, Au, в результате чего возникает спилловер-эффект [4–6].
Таким образом, в работе проанализирован газовый состав выдыхаемого воздуха человека при различных желудочно-кишечных заболеваниях. Для каждого газа предложен тип модификатора диоксида олова, при котором возможно достижение максимальной чувствительности и селективности, а также рассмотрены механизмы хеморезистивного эффекта в каждом случае.
Литература:
1. Лабори А. Регуляция обменных процессов. — М.: Медицина, 1970. — 249 с.;
2. Румянцева М. Н., Булова М. Н., Кузнецова Т. А., Рябова Л. И., Гаськов А. М., Луказо Г., Лабо М. Нанокристаллические оксиды металлов как перспективные материалы для газовых сенсоров на сероводород. // Журн. прикладной химии, 2001, т. 74(3), с. 425–430;
3. Румянцева М. Н., Гаськов А. М. Природа газовой чувствительности нанокристаллических оксидов металлов. // Журн. Прикладной химии, — 2001, — т. 74(3). — С. 430–434;
4. Аверин И. А., Пронин И. А. Особенности фазового состояния неравновесных термодинамических систем полимер-растворитель // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2012.№ 2. С. 163–169;
5. Аверин И. А., Мошников В. А., Пронин И. А. Влияние типа и концентрации собственных дефектов на свойства структур диоксида олова // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 1. С. 27–29;
6. Пронин И. А., Аверин И. А., Димитров Д. Ц., Крастева Л. К., Папазова К. И., Чаначев А. С. Исследование чувствительности к этанолу переходов ZnO—ZnO:Fe на основе тонких наноструктурированных пленок, полученных с помощью золь-гель-технологии // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 3. С. 6–10.
