Новый оптоволоконный сенсор со специальным слоем из углеродных нанотрубок способен быстро определять концентрации в воде самых распространенных загрязнителей — промышленных красителей. Как отмечают ученые, разработка поднимет на новый уровень качество экологического мониторинга водной среды. Над исследованием работала научная группа из ученых подведомственных Минобрнауки России Национального исследовательского университета «МИЭТ», Ульяновского государственного университета (УлГУ) и специалисты научно-производственного комплекса «Технологический центр».
Различные виды красителей сегодня широко используются в промышленности, геологии, аграрном хозяйстве, медицине и других сферах человеческой деятельности, однако многие из этих веществ — родамины, ализарины и другие — попадая в промышленные стоки, способны серьезно загрязнять окружающую среду. Один из наиболее распространенных загрязнителей водной среды в мире — краситель Родамин Б, особенно из-за его применения в текстильной отрасли и в нефтяном деле. Контакт с ним человека может привести к кожному дерматиту, аллергическим реакциям, проблемам с вниманием, гиперактивности и беспокойству, не говоря уже о токсическом отравлении при попадании красителя внутрь организма. Для природных обитателей водоемов — ракообразных — летальная концентрация Родамина Б 10 % (LC10) составляет всего 18 мг/л.
Но как контролировать концентрацию токсичного красителя в воде и оперативно выявлять превышение критической отметки, чтобы предотвращать необратимые последствия? Необходим сенсор с чувствительностью не ниже заданного уровня, портативный и легкий, с возможностью быстрой передачи данных — такую задачу поставили перед собой ученые из лаборатории Биомедицинских нанотехнологий МИЭТ.
«Созданный нами сенсор представляет собой оптоэлектронную систему, состоящую из оптического волокна, к которому с одной стороны подключен широкополосный источник света, то есть, фактически, лампа дневного света, а с другой стороны волокно соединено со спектрометром, позволяющим измерять спектр пропускания излучения. Оптическое волокно вытягивается с использованием технологических процедур таким образом, что появляется суженная область. За счет этого геометрического преобразования излучение, распространяющееся внутри волокна без потерь за счет полного внутреннего отражения, распадается на моды высшего порядка в месте сужения. При этом часть излучения выходит за пределы оптического волокна и взаимодействует с окружающей средой (красителем в воде), и спектр излучения изменяется в соответствии с концентрацией анализируемого вещества», — описывает разработку аспирант Института биомедицинских систем МИЭТ Александр Полохин.
Новизна разработки — в высокой чувствительности, которую сенсор обеспечивает не только за счет уникальной геометрической конструкции суженного оптоволокна, но и путем применения специальной технологии формирования тонкого и прочного слоя из одностенных углеродных нанотрубок. Такой слой увеличивает адсорбцию молекул красителя к волокну, что повышает чувствительность и точность обнаружения малой, но опасной дозы красителя. По словам разработчиков, ранее созданные аналогичные оптические сенсоры такой чувствительностью не обладают.
«В настоящий момент для мониторинга загрязнений окружающей среды в основном используются лакмусовые бумажки, точность которых оставляет желать лучшего, а также дорогостоящие лабораторные тесты с ожиданием результата до нескольких дней, а то и недель. Предложенная нами технология позволит осуществлять дистанционный и оперативный контроль концентрации загрязняющих веществ в разных частях водоема с помощью нескольких сенсоров в режиме реального времени», — рассказывает руководитель исследования, начальник лаборатории биомедицинских нанотехнологий Института биомедицинских систем МИЭТ Александр Герасименко.
Одна из особенностей нового оптоволоконного сенсора — многократность использования: сенсор имеет высокую стойкость и после промывания водой может применяться повторно, не теряя чувствительности.
В Институте биомедицинских систем НИУ МИЭТ планируют продолжать исследования и развивать их в области создания установки с интегральным оптоэлектронным чипом для одновременного экспресс-мультимониторинга химических и биохимических веществ.
Работа выполнена при частичной поддержке государственного задания Минобрнауки России. Научную статью ученых, опубликованную в одном из международных журналов, выбрали в качестве заглавной статьи номера.
