Быстрое и точное выявление разных веществ — залог успеха во многих областях, включая экологию, медицину, промышленность. Поэтому ученые разрабатывают все более совершенные методы поиска всевозможных соединений в воде, продуктах, биологических жидкостях. Многие из этих инноваций стоят на страже здоровья человека и сохранности природы: помогают проверять пищу и напитки, находить опасные загрязнители в воздухе, почве и водоемах. Знакомимся с несколькими новыми технологиями в этой сфере, созданными в нашей стране.
Спектр химического разнообразия
Колориметрические сенсоры для выявления полезных и токсичных веществ в составе воды, биологических жидкостей, напитков и пищи разработали исследователи Томского политехнического университета. Научная группа одной из первых в мире приступила к разработкам в этой сфере и сегодня уже может гордиться высокоуровневыми достижениями. Например, созданный исследователями метод обнаружения хрома с помощью колориметрических сенсоров включен в качестве рекомендованного в федеральный реестр способов измерения Российской Федерации.
Колориметрические сенсоры, созданные в ТПУ, представляют собой пластинки на основе полиметилметакрилата. На наличие искомого вещества они реагируют изменением цвета.
Фото: пресс-служба Томского политехнического университета
Сенсоры представляют собой прозрачные пластинки на основе распространенной безвредной разновидности органического стекла — полиметилметакрилата. О наличии искомого вещества сенсоры сигнализируют просто: если нужное соединение оказывается в предельно допустимой концентрации, они меняют цвет. При этом чем выше концентрация вещества, тем насыщеннее оказываются краски сенсора. В зависимости от определяемого вещества процесс выявления занимает от нескольких секунд до одной минуты.
Чтобы заставить органическое стекло менять цвет при контакте с определенными веществами, исследователи модифицируют его, предварительно смоделировав внутреннюю структуру полиметилметакрилатной матрицы на компьютере.
Деталями технологии с корреспондентом «Научной России» поделился руководитель проекта, профессор отделения электронной инженерии ТПУ Михаил Алексеевич Гавриленко.
«Обычное оргстекло представляет собой длинные и плотно упакованные цепи полиметилметакрилата. Именно плотная структура обеспечивает прозрачность и гибкость оргстекла, одновременно препятствуя попаданию любых веществ внутрь. Для наших сенсоров мы раздвигаем слои полиметакрилата посредством добавки другого полимера — полиэтиленгликоля — и формируем 3D-структуру в виде ячеек, похожих на пчелиные соты, — объяснил М.А. Гавриленко. — Во время полимеризации формируется самоорганизованная внутренняя 3D-структура матрицы, способная сохраняться годами без потери свойств. Такая структура способна как экстрагировать целевое вещество внутрь ячеистой матрицы (поскольку у нее появляется требуемый внутренний объем), так и сохранять прозрачность, что необходимо для дальнейшего формирования цветового сигнала».
Образец колориметрического сенсора.
Фото: пресс-служба Томского политехнического университета
Созданные учеными сенсоры способны избирательно отыскивать нужные соединения даже в сложных смесях, таких как уже упомянутые биологические жидкости и растительные экстракты.
«При изготовлении сенсор настроен на определенное вещество или группу сходных веществ, поскольку ячеистая структура позволяет избирательно экстрагировать целевое вещество, размеры частиц которого соответствуют геометрии ячейки, — рассказал М.А. Гавриленко. — Обычно этого достаточно, однако мы сознательно усложняем систему для достижения высокой избирательности, формируя на поверхности сенсора функциональные группы, способные менять гидрофобность в условиях различной кислотности среды, где идет обнаружение целевого вещества. Кроме того, мы можем помещать в ячейки сенсора молекулы дополнительных веществ, служащие “якорями”, которые связывают и удерживают целевое вещество, игнорируя всевозможные другие вещества из исследуемой пробы. Такой подход, к сожалению, обладает и ограничениями: например, мы не можем определять присутствие воды или этилового спирта вследствие малого размера их молекул и неспособности проникать через гидрофобный барьер внутрь матрицы. Но одновременно это дает нам прекрасную возможность проводить определение веществ в воде, биологических жидкостях и водно-органических растворителях без предварительной пробоподготовки, просто помещая сенсор в пробу, поскольку любые количества воды или ее смесей с органикой (жировых эмульсий, молока, нефтяных эмульсий) игнорируются сенсором и не влияют на результат».
За поиск каждого соединения отвечает отдельная пластинка со своим характерным цветом. На создание одного такого сенсора у ученых уходит около трех месяцев.
«На стадии разработки прототипов мы изучали возможность изготовления колориметрических сенсоров буквально на все. К текущему моменту у нас созданы около пяти десятков разнообразных прототипов, которые доказали свою работоспособность, но не вышли за пределы лаборатории. Затем пришло понимание, что тратить время и деньги ради увеличения количества сенсоров неправильно. Последние восемь лет мы доводим до реального применения только сенсоры, востребованные среди заказчиков. Наши ближайшие приоритеты — сенсор на избыточные антибиотики в молоке и мясе для бытового применения, сенсор на токсичные металлы в картофеле, моркови, свекле и прочих корнеплодах для контроля оптовых закупок торговыми сетями, а также сенсор для определения хлорсодержащих соединений в нефти», — отметил М.А. Гавриленко.
Примененный исследователями колориметрический подход охватывает весь диапазон видимого света с длиной волны от 400 до 800 нм, включая индивидуальные особенности спектра на его протяжении. Такое богатство красок дает больше данных для обработки и, как результат, более высокое качество и бóльшую стабильность анализа. Для проверки точности полученных сенсоров ученые сопоставляют их показатели с традиционным подходом к определению состава веществ — спектрофотометрией.
Спектрофотометрия — метод, позволяющий определять вещество по его спектрам поглощения: простыми словами, по тому, световое излучение с какой длиной волны оно поглощает.
В рамках нового гранта Российского научного фонда (№24-24-00160) ученые оцифровывают технологию. Цель проекта — создать нейросеть, способную самостоятельно анализировать изображения окрашенных сенсоров и по их цвету распознавать искомое вещество и его концентрацию. Умный алгоритм можно будет привязать к смартфону, что упростит и ускорит проведение исследований. Пока данные анализов с помощью колориметрических сенсоров обрабатываются с помощью доступных приложений для смартфона и графических редакторов на компьютере.
Прототип сенсоров для обнаружения антибиотиков после контакта с молоком, содержащим микроколичества искомого препарата.
Фото: Михаил Алексеевич Гавриленко / из личного архива ученых ТПУ
«Переходы окраски сенсора могут быть разнообразными и часто трудно идентифицируются человеческим глазом и даже спектрофотометром, поэтому и возникла необходимость использования машинного обучения для интерпретации результатов, — пояснил М.А. Гавриленко. — Среди наиболее контрастных цветовых переходов сенсоров красивее всего выглядят окрашивания из бесцветного в темно-фиолетовый для контроля тяжелых металлов в воде и из бесцветного в ярко-красный при определении тиоцианата при трассерном исследовании нефтяных месторождений. Но, на мой взгляд, самым красивым будет выглядеть сенсор на антибиотики, который из бесцветного становится ярко-флуоресцентным, как елочная игрушка, и светится в темноте ярко-синим и ярко-зеленым цветами в зависимости от концентрации антибиотика. Его рабочий прототип изготовлен в начале февраля».
Как отметил М.А. Гавриленко, возможности применения нового подхода по-настоящему разнообразны: «Нет ограничений по использованию колориметрических сенсоров для определения полезных, токсичных или любых маркерных веществ в каких-либо областях. Есть некоторые физико-химические ограничения, связанные с размером и гидрофобностью молекул, а также их способностью вступать в реакции с изменением цвета. Сейчас мы работаем в областях медицинской диагностики по определению маркеров оксидативного стресса беременных и контроля качества продуктов питания на пестициды и антибиотики. Традиционные сферы применения наших сенсоров — мониторинг окружающей среды и нефтяных месторождений, контроль антиоксидантов в растительном сырье и синтетических красителей в пищевой продукции и напитках».
Цифровая колориметрия — новаторский метод определения химических соединений, кардинально отличающийся от традиционных аналитических методов и обладающий важными преимуществами.
«Использование колориметрических сенсоров — это принципиально новый подход, который сложно сравнивать не только со спектрофотометрией, но и с любым существующим аналитическим методом, — подчеркнул М.А. Гавриленко. — Классическая схема лабораторного анализа включает следующие этапы:
1) пробоподготовку, связанную с изоляцией и повышением концентрации аналита; это очень ответственный этап, поскольку он сопровождается потерями целевого вещества в силу неизбежных равновесных процессов, и если целевой аналит изначально содержится в пробе в микроскопическом количестве, то он может быть утерян полностью;
2) подготовку пробы к анализу, связанную с разведением пробы, удалением мешающих веществ, построением градуировочных зависимостей;
3) собственно определение, непременное условие которого — наличие прибора и специалиста, умеющего использовать этот прибор;
4) утилизацию пробы, растворителей и прочего, что часто противоречит принципам зеленой химии.
В цифровой колориметрии все это отсутствует. Мы помещаем сенсор в пробу, сенсор все делает самостоятельно, а нам остается только интерпретировать цвет сенсора с помощью смартфона. Кроме того, сенсор сохраняет отпечаток пробы внутри себя в течение нескольких лет, что важно при повторных измерениях в случае арбитража. В то же время в случае с классическим подходом документальность анализа полностью отсутствует, поскольку проба утилизируется после окончания испытания».
Колориметрические сенсоры, разработанные томскими учеными, можно использовать в различных сферах для определения полезных, токсичных или любых маркерных веществ.
Фото: пресс-служба Томского политехнического университета
Актуальные результаты работы ученых представлены в журнале Optical Materials. М.А. Гавриленко добавил, что в рамках гранта РНФ проект реализуется на базе Томского политехнического университета, но в дальнейшем исследователи рассматривают возможность сотрудничества с коллегами из других вузов и организаций, поскольку для успешной работы над нейросетью для анализа сенсоров нужен комплексный подход математиков, IT-специалистов, материаловедов и химиков.
В минимальной концентрации
Поиск опасных загрязнителей в воде — озерах и реках, водохранилищах, промышленных стоках, на очистных сооружениях — важное направление экологического мониторинга. Сейчас для таких исследований применяется хроматография. Но у нее есть недостатки: дорогое оборудование, длительный процесс отбора проб, необходимость специальной подготовки сотрудников. Кроме того, такой анализ нельзя провести на месте — только в лаборатории.
Хроматография — метод разделения смеси веществ, основанный на разных скоростях их перемещения в системе несмешивающихся движущихся относительно друг друга фаз.
Экспресс-метод, призванный упростить и ускорить проверку воды, создала команда ученых из Южно-Уральского государственного университета под руководством директора научно-образовательного центра «Нанотехнологии» на базе ЮУрГУ профессора Вячеслава Викторовича Авдина и сербского исследователя Далибора Станковича. Их разработка представляет собой устройство на основе потенциостата (прибора для электрохимических исследований) для измерения концентрации опасных веществ в растворе. В число распознаваемых системой соединений уже вошли распространенные промышленные загрязнители — нитрофенол и трихлорфенол.
Разработанный в ЮУрГУ экспресс-метод анализа воды поможет упростить экологический мониторинг.
Фото: aleksandarlittlewolf / фотобанк Freepik
Чтобы устройство выявляло в растворе конкретные вещества, ученые встраивают в его электрод специально подобранные компоненты, вступающие в реакцию с нужным загрязнителем. Достаточно погрузить электрод прибора в воду — и система быстро отреагирует на токсичное соединение даже в минимальном количестве, рассчитав его концентрацию.
В перспективе — совершенствование системы для обнаружения в воде лекарственных препаратов, включая антибиотики. Технология разрабатывается в рамках мегагранта «Инновации для очистки воздуха и воды, снижения углеродного следа: наноматериалы и нанокомпозиты, фотокаталитические и электрохимические подходы». Все компоненты системы могут легко изготавливаться внутри страны. Аналогов разработки пока нет.
Магнит для химиката
Нитробензол — токсичное вещество, опасное для человека: при повышенной концентрации оно нарушает работу центральной нервной системы и обмен веществ, провоцирует заболевания печени. При этом существует риск попадания этого соединения в пищу или окружающую среду. Например, этим особенно грешит мед, так как нитробензол содержится в инсектицидах, которыми обрабатывают ульи для защиты от клещей. До последнего времени выявить это опасное вещество можно было только посредством долгого и сложного лабораторного анализа.
Нитробензол — токсичное вещество, опасное для человека. До последнего времени обнаружить его можно было только посредством долгого и сложного лабораторного анализа.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Уникальный экспресс-метод обнаружения нитробензола, способный стать выгодным аналогом существующих подходов, разработали исследователи из Уральского федерального университета им. Б.Н. Ельцина (УрФУ) совместно с учеными из Института органического синтеза Уральского отделения РАН.
Обычно для распознавания нитробензола используются специальные ферменты, но они очень дороги, а их химические свойства нестабильны. Высока и стоимость применяемых для выявления этого токсичного вещества оптических спектральных анализаторов.
Разработанная уральскими учеными технология, напротив, проста и доступна. Для поиска нитробензола исследователи предлагают использовать портативный анализатор на основе электрохимического датчика: такие устройства компактны, просты в изготовлении и могут выявлять вещество в крайне малых концентрациях. Распознавать токсин системе помогает вещество класса диазинов — эти соединения способны избирательно взаимодействовать с нитробензолом. Производное диазина выступает в роли своеобразного магнита для химиката, вытягивая его из пробы на электрод датчика.
О технологии корреспонденту «Научной России» рассказала доцент кафедры аналитической химии УрФУ Татьяна Сергеевна Свалова.
Разработка исследователей УрФУ прошла испытания на образцах меда — продукта, в котором особенно часто обнаруживается нитробензол.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
«Планарный электрод модифицирован оригинальным производным диазина, выступающим в качестве селективного элемента. После погружения сенсора в анализируемую пробу на его поверхности происходит концентрирование нитробензола за счет формирования комплекса “аналит — рецептор” по механизму донорно-акцепторного взаимодействия. Роль аналитического сигнала играет ток электровосстановления нитробензола, детектируемый с помощью портативного потенциостата в конструкции электрохимической микроячейки», — объяснила Т.С. Свалова.
Сегодня в мире нет прямых аналогов инновации. Технология уже прошла первые испытания.
«Предел обнаружения нитробензола с помощью разработанного анализатора составляет 0,107 микромоль (мкМ), что достаточно для определения следовых количеств вещества в продуктах питания и объектах окружающей среды, — отметила Т.С. Свалова. — Сенсор апробирован на модельных растворах нитробензола и образцах меда с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии в качестве метода сравнения. Разработка находится на стадии лабораторного прототипа».
Световой сигнал
Еще одно опасное вещество, способное проникнуть в организм человека через пищу, — госсипол. Это соединение содержится в семенах хлопчатника и может вызвать у человека кровоизлияние, потерю аппетита, негативно отразиться на фертильности. Сам хлопчатник используется для кормления сельскохозяйственных животных, из-за чего госсипол может просочиться в рыбу, мясо, молочные продукты. Примеси этого вещества содержатся и в нерафинированном хлопковом масле.
Предельно допустимая концентрация госсипола в пище крайне мала — 0,86 мкМ. Поэтому ученые продолжают разрабатывать все более чувствительные методы выявления этого соединения.
Одну из таких технологий предложили исследователи из Новосибирского государственного университета и Института неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения РАН. В качестве сенсоров для обнаружения госсипола ученые предложили использовать металлорганические полимеры на основе тербия. Соединения этого металла, как и других элементов из семейства лантаноидов, могут светиться в ответ на облучение. Органические мостики, соединяющие ионы тербия в составе созданных исследователями полимеров, поддерживают это свечение и помогают делать его ярче.
Когда люминесцентный полимер на основе тербия взаимодействует с госсиполом, токсичное вещество в силу своих особенностей отнимает у соединения часть энергии и полимер тускнеет. Это и служит простым и быстрым сигналом о наличии госсипола в пробе. А то, насколько сильно угасает свечение полимера, помогает определить концентрацию токсиканта.
Госсипол — токсичное соединение, содержащееся в семенах хлопчатника.
Фото: azerbaijan_stockers / фотобанк Freepik
Исследователи проверили эффективность подхода в случае с разными пробами. В воде метод позволил обнаружить госсипол в концентрации 0,76 наномоль (нМ), в масле хлопчатника — в концентрации 1,89 нМ. Как мы помним, предельно допустимая концентрация этого опасного вещества в пище на порядок выше. Точность анализа не снизилась даже при исследовании плазмы крови, хотя она содержит компоненты, потенциально способные ухудшить чувствительность системы.
Стоит добавить, что полимеры на основе тербия показали лучшие результаты по выявлению госсипола среди аналогичных соединений других лантаноидов. Предыдущие варианты полимеров позволяли обнаруживать вещество в более высокой концентрации — 28,6 нМ.
Использовать ферменты люминесцентных бактерий для выявления опасных веществ предлагают ученые СФУ.
Изображение сгенерировано ИИ / фотобанк 123RF
Бактериальный надзор
Искать опасные вещества в окружающей среде с помощью ферментов люминесцентных бактерий предлагают исследователи Сибирского федерального университета. Свечение таких микроорганизмов обеспечивают особые вещества — люцифераза и оксиредуктаза. Под воздействием разнообразных загрязнителей работа этих ферментов нарушается, а яркость их свечения снижается. По тому, насколько сильно потускнели ферменты, можно определить концентрацию опасного вещества в пробе.
Сибирские исследователи ведут разработки в этой области много лет. В 2021 г. ученые СФУ вместе с коллегами из Красноярского научного центра СО РАН разработали на основе биолюминесцентных ферментов бактерий сенсоры для выявления загрязнения почвы и пищевых продуктов токсичными веществами. Устройства компактны и весят менее 300 г, что позволяет применять их не только в лаборатории, но и в полевых условиях. В число токсикантов, определяемых новыми сенсорами, вошли тяжелые металлы (ионы ртути, хрома, цинка и меди) и пестициды. Важно отметить, что материалы и реагенты, используемые в конструкции сибирских приборов, доступны и относительно недороги. Одна из сфер применения технологии в перспективе — проверка фруктов и овощей на безопасность. Это исследование ученые провели в рамках совместного проекта Российского фонда фундаментальных исследований (ныне — Российского центра научной информации), правительства Красноярского края и Красноярского краевого фонда науки.
В перспективе сенсоры на основе ферментов люминесцентных бактерий могут пригодиться для проверки на безопасность овощей и фруктов.
Фото: DC Studio / фотобанк Freepik
В 2024 г. ученые кафедры биофизики СФУ совместно с коллегами из Института биофизики КНЦ СО РАН и Сургутского государственного университета представили еще одну технологию, в которой бактериальные ферменты применяются для выявления опасных веществ, — биолюминесцентные биотесты для оценки уровня загрязнения воздуха по снегу.
«Снежный покров хорошо отражает картину загрязнения воздуха в городской черте: он аккумулирует загрязняющие вещества из атмосферы — в том числе сульфаты, нитраты и тяжелые металлы», — приводит пресс-служба СФУ слова заведующей кафедрой биофизики СФУ Валентины Александровны Кратасюк.
Метод прошел испытания на территории Красноярска, где располагаются угольные электростанции и множества грязных производств. Ученые исследовали с помощью биотестов снег из разных районов города-миллионника, включая жилой сектор, промзону, пригородные леса. При этом пробы брались при так называемых неблагоприятных метеоусловиях — когда из-за безветренной погоды загрязнители особенно активно накапливаются в городской черте и пригороде. В результате анализа в образцах снега обнаружилась повышенная концентрация шести тяжелых металлов — мышьяка, кадмия, цинка, кобальта, ртути и свинца, при этом содержание цинка превышало предельно допустимые нормы во всех пробах. Тестирование дало и неожиданные результаты: например, исторический центр Красноярска оказался сильно загрязненным, хотя ранее уровень его загрязнения считался умеренным. Не порадовали и пробы с лесных территорий.
«Предполагалось, что пробы снега, взятые в пригородных лесах, окажутся чистыми, однако после десяти суток режима неблагоприятных метеоусловий оказалось, что этот снег тоже загрязнен, пусть и в минимальной степени», — отметила В.А. Кратасюк.
Биотесты сибирских исследователей позволяют провести анализ всего за несколько минут. Проект получил поддержку Российского научного фонда.
Источники
Комментарий профессора отделения электронной инженерии ТПУ М.А. Гавриленко
Комментарий доцента кафедры аналитической химии УрФУ Т.С. Сваловой
Томский политехнический университет. Служба новостей. Ученые ТПУ разработали сенсоры для экспресс-мониторинга полезных и токсичных веществ
ТАСС. В Челябинске предложили новый метод обнаружения загрязняющих веществ в воде
«Известия». Ирма Каплан. Российские ученые изобрели экспресс-метод выявления токсичного нитробензола
Российский научный фонд. Разработан новый метод обнаружения ядовитого вещества из семян хлопчатника
«Известия». Ксения Аскерова. Сибирские ученые изобрели метод контроля вредных выбросов
ФИЦ «Красноярский научный центр Сибирского отделения РАН». Ферменты бактерий помогут обнаружить токсичные соединения в пище
Сибирский федеральный университет. Ученые рассказали, как тестировать воздух по загрязнению снега с помощью ферментов светящихся бактерий
Большая российская энциклопедия 2004-2017. Электронная версия. В.А. Даванков. Хроматография
Большая российская энциклопедия 2004-2017. Электронная версия. П.С. Анциферов. Спектрофотометр
Изображения на превью и на главной странице: сгенерированы ИИ / фотобанк 123RF
Источники изображений в тексте: пресс-служба Томского политехнического университета, Михаил Алексеевич Гавриленко / из личного архива ученых ТПУ, aleksandarlittlewolf / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, azerbaijan_stockers / фотобанк Freepik, сгенерировано ИИ / фотобанк 123RF, DC Studio / фотобанк Freepik.
