Исследователи из Южно-Уральского государственного университета разработали новый высокочувствительный метод определения ионов ртути в водных растворах. Разработка представляет собой специальный электрод, который позволяет обнаруживать опасный металл всего за две минуты при сверхнизких концентрациях.
По словам разработчиков, уникальность их работы заключается в модификации электрода с использованием высокоэнтропийного оксида, содержащего редкоземельный металл – празеодим. Благодаря этому составу электрод способен фиксировать присутствие ртути в концентрации от одного наномоля. Для понимания масштаба: это значение ниже предельно допустимой концентрации и составляет около 200 нанограмм на литр.
«Мы модифицировали стандартный стеклоуглеродный электрод (основу многих электрохимических сенсоров) специальным нанопорошком, – рассказывает научный сотрудник лаборатории экологических проблем постиндустриальной агломерации ЮУрГУ Роман Морозов. – Представьте, что поверхность электрода – это пустыня. Обычный электрод – это гладкий песок, на котором капля с ртутью просто скатывается. Модифицированный проводник похож на пористую губку, благодаря такой структуре площадь его активной поверхности выросла в три раза. В структуру оксида мы специально добавили празеодим (Pr). Этот элемент создает в кристаллической решетке «вакансии» – пустые места, где не хватает атомов кислорода. Эти вакансии работают как ловушки, активно притягивая ионы ртути. Когда ион попадает в такую ловушку, ему гораздо легче вступить в реакцию и восстановиться до металлической ртути. Прибор это фиксирует».
Проблема загрязнения воды ртутью стоит остро во всём мире. Этот металл способен накапливаться в организмах и вызывать тяжелые заболевания. В качестве примера можно привести болезнь минамата в Японии, вызванную именно промышленными сбросами ртути. При этом обнаружить ртуть в питьевой воде, почве или продуктах (например, в чае и кофе) очень сложно. Предельно допустимая концентрация, установленная ВОЗ, чрезвычайно мала – всего 0,001 мг/л. Над этой проблемой работают ученые всего мира. Метод челябинских химиков показал впечатляющие результаты: сенсор стабильно распознает ртуть в диапазоне концентраций от 1 до 5 наномоль (нМ). Предел обнаружения составил всего 0,15 нМ. Это позволяет находить даже следовые количества яда. При этом даже в присутствии других ионов-«конкурентов» (свинца, меди, железа) и органических веществ (мочевины, фенола) сенсор не ошибался и четко определял именно ртуть.
Ученые проверили разработку в реальных условиях, добавив микроскопические дозы ртути в образцы водопроводной воды, почвы, а также в экстракты чая и кофе. Во всех случаях прибор показал высокую точность (коэффициент восстановления составил от 85% до 95%).
Кроме точности, челябинская разработка имеет еще два важных преимущества: скорость анализа и его доступность. В отличие от традиционных способов, требующих сложного и дорогостоящего оборудования (такого как атомно-эмиссионные спектрометры или хроматографы, стоимость которых может достигать десятков миллионов рублей), новый метод использует компактный прибор.
Исследования проводились на стационарном потенциостате стоимостью 1,5 млн рублей. Сейчас проводятся эксперименты по определению содержания ртути с помощью портативного датчика, который стоит около 300 тысяч рублей и может работать в паре с обычным ноутбуком или даже смартфоном. Сам электрод – одноразовый, но на его производство требуется менее одного миллиграмма редкоземельного металла, что делает технологию экономичной.
«Хотя исходные комплектующие – базовые электроды и портативный прибор – производятся на Тайване, наладить выпуск таких систем в России не составит большого труда, – комментирует разработчик. – Что касается редкоземельных металлов, то для нашего метода требуется столь незначительное количество вещества, что это не повлияет на себестоимость и доступность метода».
По словам исследователей, потенциальными заказчиками и пользователями разработки могут стать экологические службы. Портативный анализатор существенно сэкономит время и средства на проведение анализов, позволит оперативно выезжать на места возможных загрязнений и получать достоверные результаты в полевых условиях. С помощью нового метода производители чая, кофе и морепродуктов смогут оперативно проверять сырье на наличие ртути. Хорошие перспективы изобретение имеет в медицинской диагностике: адаптировав материал под другие биомаркеры, можно создавать сенсоры для анализа мочи или пота. Ну и конечно, разработанный челябинскими химиками метод может использоваться для контроля сточных вод промышленных предприятий (особенно химических, горнодобывающих и кожевенных производств) в режиме реального времени.
Результат опубликован в международном журнале «Коллоиды и поверхности А: физико-химические и инженерные аспекты» https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2025.138534