Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Университета химии и технологии (Чехия, Прага) создали новые химические сенсоры для спектрометров комбинационного рассеивания — приборов, позволяющих с высокой точностью определить количественный и качественный состав вещества и его структуру. Политехники вооружили сенсоры специальными органическими химическими соединениями. Так, ученым уже удалось получить сенсоры для определения запрещенных в Европе красителей и для обнаружения в воде тяжелых металлов в сверхнизких концентрациях.
Последние результаты исследований опубликованы в журналах «Sensors and Actuators B: Chemical» (IF 5,401, Q1) и «ChemNanoMat» (IF 2, 937, Q2).
Сенсоры представляют собой многослойную конструкцию. Основой служит тонкая пленка золота размером примерно 1x0,5 см. Поверхность пластины модифицирована таким образом, чтобы она имела волнообразную структуру. С помощью специально созданных реагентов ученые ТПУ наносят на поверхность пластины органические соединения методом ковалентной модификации поверхности с использованием ароматических солей диазония.
«Этой работой мы демонстрируем возможность создания таких химических сенсоров. Новизна исследования заключается в том, что мы объединили химические и физические методы. Наши пражские коллеги модифицируют пластины физическими методами, а мы химическими методами наносим на них органические соединения.
И за счет этой комбинации мы в итоге получили возможность детектировать, в частности тяжелые металлы, в очень низких концентрациях. Мы можем отслеживать следовые концентрации веществ.
Так, чувствительность сенсоров для красителей достигает 10-16 моль, а для тяжелых металлов составляет 10-14 моль», — говорит доцент кафедры технологии органических веществ и полимерных материалов ТПУ Павел Постников.
В качестве «захватчиков» для тяжелых металлов ученые использовали остаток диэтилентриаминпентауксусной кислоты, а для токсичных красителей — полимер pNIPAM (поли(N-изопропилакриламид)).
«Процесс анализа очень прост: мы опускаем сенсор в воду, и молекулы токсичных веществ осаждаются на поверхности пластины. Так, например, за счет своих химических свойств остаток диэтиленриаминпентауксусной кислоты просто связывает молекулы металлов. С красителями чуть сложнее, — отмечает Павел Постников. —
Мы используем интересный полимер, который при комнатной температуре является водорастворимым, а при нагревании переходит в нерастворимую форму.
Полимерные цепи захватывают молекулы красителя и, при нагревании, прижимают к поверхности. Достаем пластинку и помещаем в спректрометр — через две минуты получаем ответ».
В перспективе эти сенсоры можно использовать для экспресс-мониторинга жидкостей в пищевой технологии, медицине и экологии.
«Анализ проводится буквально за минуты. Поэтому его можно использовать на месте — например, взять пробу из водоема, и сразу будет понятно, присутствуют ли в воде токсичные вещества, причем даже в очень малых концентрациях, или нет», — добавляет ученый.