Уникальность работы заключается в модификации электрода с использованием высокоэнтропийного оксида, содержащего редкоземельный металл – празеодим. Благодаря этому составу электрод способен фиксировать присутствие ртути в концентрации от одного наномоля. Это значение ниже предельно допустимой концентрации и составляет около 200 нанограмм на литр.
«Мы модифицировали стандартный стеклоуглеродный электрод (основу многих электрохимических сенсоров) специальным нанопорошком, – рассказал научный сотрудник лаборатории экологических проблем постиндустриальной агломерации ЮУрГУ Роман Морозов. – Представьте, что поверхность электрода – это пустыня. Обычный электрод – это гладкий песок, на котором капля со ртутью просто скатывается. Модифицированный проводник похож на пористую губку, благодаря такой структуре площадь его активной поверхности выросла в три раза. В структуру оксида мы специально добавили празеодим (Pr). Этот элемент создает в кристаллической решетке «вакансии» – пустые места, где не хватает атомов кислорода. Эти вакансии работают как ловушки, активно притягивая ионы ртути. Когда ион попадает в такую ловушку, ему гораздо легче вступить в реакцию и восстановиться до металлической ртути. Прибор это фиксирует».
Проблема загрязнения воды ртутью стоит остро во всём мире. Этот металл способен накапливаться в организмах и вызывать тяжелые заболевания. В качестве примера можно привести болезнь минамата в Японии, вызванную именно промышленными сбросами ртути. При этом обнаружить ртуть в питьевой воде, почве или продуктах (например, в чае и кофе) очень сложно. Предельно допустимая концентрация, установленная ВОЗ, чрезвычайно мала – всего 0,001 мг/л.
Над этой проблемой работают ученые всего мира. Метод челябинских химиков показал впечатляющие результаты: сенсор стабильно распознает ртуть в диапазоне концентраций от 1 до 5 наномоль (нМ). Предел обнаружения составил всего 0,15 нМ. Это позволяет находить даже следовые количества яда. При этом даже в присутствии других ионов-«конкурентов» (свинца, меди, железа) и органических веществ (мочевины, фенола) сенсор не ошибался и четко определял именно ртуть.
Ученые проверили разработку в реальных условиях, добавив микроскопические дозы ртути в образцы водопроводной воды, почвы, а также в экстракты чая и кофе. Во всех случаях прибор показал высокую точность (коэффициент восстановления составил от 85% до 95%).
Исследования проводились на стационарном потенциостате стоимостью 1,5 млн рублей. Сейчас проводятся эксперименты по определению содержания ртути с помощью портативного датчика, который стоит около 300 тысяч рублей и может работать в паре с обычным ноутбуком или даже смартфоном. Сам электрод – одноразовый, но на его производство требуется менее одного миллиграмма редкоземельного металла, что делает технологию экономичной.
«Хотя исходные комплектующие – базовые электроды и портативный прибор – производятся на Тайване, наладить выпуск таких систем в России не составит большого труда, – прокомментировал разработчик. – Что касается редкоземельных металлов, то для нашего метода требуется столь незначительное количество вещества, что это не повлияет на себестоимость и доступность метода».
По словам исследователей, потенциальными заказчиками и пользователями разработки могут стать экологические службы. Портативный анализатор существенно сэкономит время и средства на проведение анализов, позволит оперативно выезжать на места возможных загрязнений и получать достоверные результаты в полевых условиях.
С помощью нового метода производители чая, кофе и морепродуктов смогут оперативно проверять сырье на наличие ртути. Хорошие перспективы изобретение имеет в медицинской диагностике: адаптировав материал под другие биомаркеры, можно создавать сенсоры для анализа мочи или пота. Ну и конечно, разработанный челябинскими химиками метод может использоваться для контроля сточных вод промышленных предприятий (особенно химических, горнодобывающих и кожевенных производств) в режиме реального времени.
