Ученые разработали наносенсор, способный одновременно определять содержание в воде семи разных ионов (заряженных частиц), в том числе токсичных тяжелых металлов. В основе разработки лежат углеродные наночастицы, которые под воздействием ультрафиолета светятся синим (люминесцируют). При этом спектр люминесценции меняется в зависимости от состава раствора. Спектры анализирует нейросеть, выявляя по ним интересующие элементы и определяя их концентрации. Технология может лечь в основу компактных анализаторов, с помощью которых можно будет в полевых условиях быстро определять состав сточных вод и оценивать состояние природных водоемов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.
С промышленными стоками от химических, металлургических, текстильных и других заводов в окружающую среду попадают различные загрязнители, в том числе тяжелые металлы. Они переносятся по пищевым цепям и могут наносить вред живым организмам, в том числе человеку, вызывая заболевания пищеварительной, дыхательной, нервной и других систем.
Поэтому содержание таких веществ в сточных водах и природных водоемах нужно контролировать. Обычно для этого используют лабораторные методы, которые, хоть и очень точны, требуют дорогостоящего оборудования и сложной подготовки образцов. Поэтому ученые ищут более простые способы экспресс-мониторинга, которые можно было бы применять в полевых условиях.
Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) разработалинаносенсор, способный мгновенно определять в воде содержание семи распространенных ионов-загрязнителей окружающей среды — меди, никеля, кобальта, свинца, алюминия, хрома и нитрат-ионов.
За основу сенсора авторы взяли углеродные точки — частицы размером примерно в 50 раз меньше бактерий. Исследователи синтезировали их гидротермальным методом из лимонной кислоты и этилендиамина — вещества, которое обеспечивает присутствие в наночастицах азота, усиливающего их свечение. Исходные вещества растворили в воде и нагрели до 200°C при повышенном давлении. В результате сформировались нужные наноструктуры — углеродные точки.
Эти частицы при облучении ультрафиолетом испускают синее свечение (люминесцируют), при этом его интенсивность и оттенок (спектр) меняются в зависимости от того, какие ионы и в каком количестве находятся в растворе. Ученые приготовили 7 813 вариантов растворов с разными комбинациями и концентрациями ионов никеля, меди, кобальта, свинца, алюминия, хрома и нитрат-анионов. В растворы добавили углеродные точки и зарегистрировали спектры свечения.
Чтобы по спектру оценить содержание ионов в растворе, авторы разработали нейросеть, которую обучили распознавать зависимость между спектром и химическим составом раствора. В результате алгоритм смог по спектрам определять концентрации всех семи интересующих авторов ионов даже в сложных многокомпонентных смесях. При этом точность такого анализа соответствовала требованиям, которые предъявляются к устройствам для промышленного определения концентрации ионов в сточных и технологических водах.
«Мы доказали, что сочетание наночастиц, чувствительных к ионам-загрязнителям, и искусственного интеллекта позволяет решать сложные аналитические задачи. Благодаря высокой точности на основе нашей разработки можно создавать компактные и недорогие приборы для экологов и технологов, которые позволят быстро анализировать состав воды в полевых условиях и технологических водных средах на производствах. В дальнейшем мы планируем адаптировать нашу разработку к разным составам исследуемой среды, чтобы она могла определять те ионы, концентрации которых интересуют потенциального заказчика, без необходимости предварительного проведения специальной настройки. Мы готовы рассмотреть возможности сотрудничествас любой организацией, которая возьмет на себя использование нашей разработки для создания и вывода на рынок портативного прибора-анализатора», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Татьяна Доленко, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
***
Больше результатов исследований грантополучателей Российского научного фонда и актуальных новостей из мира науки доступны в социальных сетях РНФ Вконтакте и Телеграм. Подписывайтесь на канал РНФ в национальном мессенджере MAX.
