Ученые создали наносенсор, способный одновременно выявлять в воде содержание семи различных ионов (заряженных частиц), включая токсичные тяжелые металлы. Основу инновации составляют углеродные наночастицы, которые под воздействием ультрафиолета излучают синий свет (люминесцируют). Спектр этого свечения меняется в зависимости от раствора. Анализом спектра люминесценции занимается нейросеть, идентифицируя целевые элементы и измеряя их концентрации. Разработанная технология может стать фундаментом компактных анализаторов. Они позволят быстро оценивать состав сточных вод и состояние природных водоемов непосредственно на месте мониторинга. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).
Проблема тяжелых металлов
Промышленные стоки от химических, металлургических, текстильных и других предприятий приводят к попаданию в окружающую среду многочисленных загрязнителей, среди которых тяжелые металлы. Эти вещества перемещаются по пищевым цепям, принося вред живым организмам и человеку, вызывая болезни пищеварительной, дыхательной, нервной систем.
Зачем нужна новая технология
Контроль содержания опасных веществ в сточных водах и природных источниках жизненно важен. Существующие лабораторные методы, хоть и точны, требуют дорогого оборудования и сложных пробоподготовок. Поэтому ученые активно ищут простые решения для экспресс мониторинга, применимые в полевых условиях. Специалисты Московского государственного университета представили наносенсор, мгновенно определяющий в воде концентрацию семи ключевых ионов загрязнителей: меди, никеля, кобальта, свинца, алюминия, хрома и нитратов.
Основа датчика углеродные точки
В основе сенсорной системы авторитетного российского вуза лежат углеродные точки частицы, значительно меньшие по размеру бактерии. Их синтезировали гидротермально из лимонной кислоты и этилендиамина. Последний обеспечивает присутствие азота в наночастицах, активирующего люминесценцию. Исходные компоненты растворили в воде и обработали при 200 градусов Цельсия под повышенным давлением. Так сформировались требуемые наноструктуры углеродные точки.
Принцип работы и обучение системы
Эти частицы светятся синим при УФ облучении, причем интенсивность и спектр свечения зависят от типа и количества ионов в исследуемом растворе. Для обучения системы ученые приготовили 7 813 различных проб растворов с варьируемыми комбинациями и концентрациями целевых ионов. В каждую пробу добавили углеродные точки и зафиксировали спектры люминесценции.
Мощь нейросети в аналитике
Созданная нейросеть была обучена выявлять связь между спектрами и химическим составом раствора. Алгоритм успешно определял концентрации всех семи ионов даже в сложных многокомпонентных смесях непосредственно по спектрам. Точность анализа полностью отвечает строгим требованиям, предъявляемым к устройствам для промышленного контроля ионных концентраций в технологических и сточных водах.
Перспективы компактных анализаторов
В ходе проекта доказано: синтез наночастиц, селективных к ионам загрязнителям, и искусственного интеллекта решает сложнейшие аналитические задачи. Высокая точность открывает путь к созданию доступных компактных приборов для работы экологов и технологов. Они позволят оперативно анализировать состав воды как в полевых условиях, так и в технологических растворах на производствах. В планах команды адаптировать разработку для анализа произвольных ионов по запросу заказчика, минуя сложную перенастройку. Исследователи открыты к сотрудничеству со структурами, готовыми реализовать решение в виде портативных анализаторов для вывода на рынок.
Источник: indicator.ru