Наносенсор мгновенно проверит воду на наличие тяжелых металлов

Ученые Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова 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, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

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.

В МГУ разработали наносенсор, 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 сотрудничества с любой организацией, которая возьмет на себя использование нашей разработки для создания и вывода на рынок портативного прибора-анализатора», — рассказала руководитель проекта Татьяна Доленко, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Scientific Reports.