По словам исследователей, структура может мгновенно определять изменения влажности, а также обнаруживать опасное соединение диметилформамид, которое часто используется на производствах.
Чтобы быстро находить токсичные вещества и своевременно отслеживать изменения влажности, на производствах обычно используют цветоизменяющие датчики. В их основе ― сольватохромные материалы ― то есть такие, которые меняют свой цвет в зависимости от среды растворителя. Сейчас большинство сольватохромных датчиков создают на основе красителей и неорганических солей. Но у таких материалов есть недостатки: их нельзя многократно использовать, они токсичны для живых организмов (могут вызывать аллергию и при этом накапливаются в организме), а также реагируют на широкий спектр соединений и потому не всегда позволяют обнаружить конкретное вещество.
До недавнего времени большинство сольватохромных МОК также были недолговечными: в лучшем случае их хватало на десятки циклов смены цвета, после чего структура распадалась. Кроме того, они медленно меняли цвет при взаимодействии с растворителем (от нескольких дней до одной минуты), а исследований, которые бы доказывали их биосовместимость, не было.
Ученым ИТМО удалось разработать высокоустойчивый и биосовместимый сольватохромный МОК на основе ионов кобальта и тримезиновой кислоты, который быстро и избирательно обнаруживает воду и токсичные соединения. В отличие от других материалов, каркас обладает селективностью ― в экспериментах с линейкой растворителей он прореагировал только на два вещества: при взаимодействии с водой становился розовым, а при взаимодействии с токсичным диметилформамидом — фиолетовым.
Безопасность материала для живых организмов проверили ученые из Национального медицинского исследовательского центра им. В. А. Алмазова: в процессе эксперимента они вводили в органы рыб Danio rerio металл-органический каркас, выдерживали эмбрионы рыб в растворе на его основе, а после проверяли выживаемость животных и их поведение. Результаты испытаний показали, что средняя летальная дозировка для взрослых особей составила 6 мг/кг массы тела, что указывает на относительную безопасность вещества при пероральном введении. Кроме того, для эмбрионов была установлена средняя летальная концентрация в 0,81 мг/мл водной среды, что также свидетельствует о низком уровне токсического воздействия на ранних стадиях развития.
Высокая биосовместимость позволяет использовать разработанный в ИТМО каркас внутри эксикатора — сосуда для хранения чувствительных к воде химикатов и товаров.
Как уточняют ученые, на основе разработанного материала можно создать устройство для обнаружения молекул воды, которое в перспективе найдет свое применение на химических производствах, где выделение побочного продукта в виде воды критично. Также оно сможет обнаруживать токсичные молекулы диметилформамида. Это опасное для человека соединение используется, например, в нефтяной промышленности, при производстве кожи, различных красителей. Оно бесцветно и почти не имеет запаха, поэтому детектировать его можно только с помощью специальных приборов.
«Наше исследование — это шаг вперед в области химической сенсорики, так как мы впервые продемонстрировали самый быстрый, высокопрочный и биосовместимый сенсор на основе металл-органического каркаса. В будущем мы планируем и дальше исследовать область сольватохромных материалов, а также совместно с инженерной командой начать разработку прототипа устройства для применения уже на реальном производстве», — рассказала первый автор статьи, младший научный сотрудник ИТМО Мария Тимофеева.
