Новая разработка ученых Института биомедицинских систем (БМС) НИУ МИЭТ поднимет на новый уровень качество экологического мониторинга водной среды. В лаборатории Биомедицинских нанотехнологий разработали оптоволоконный сенсор со специальным слоем из углеродных нанотрубок, который способен быстро определять концентрации в воде самых распространенных загрязнителей – промышленных красителей.
Результаты большого и оригинального исследования, выполненного под руководством начальника лаборатории Александра Герасименко, опубликованы в высокорейтинговом журнале Micromachines в конце февраля 2023 года. Над исследованием работала научная группа ученых Национального исследовательского университета «МИЭТ» и НПК «Технологического центра», а также ученых Ульяновского государственного университета.
«В настоящий момент для мониторинга загрязнений окружающей среды в основном используются лакмусовые бумажки, точность которых оставляет желать лучшего, а также дорогостоящие лабораторные тесты с ожиданием результата до нескольких дней, а то и недель. Предложенная нами технология позволит осуществлять дистанционный и оперативный контроль концентрации загрязняющих веществ в разных частях водоема с помощью нескольких сенсоров в режиме реального времени», – рассказывает Александр Герасименко.
Различные виды красителей сегодня широко используются в промышленности, геологии, аграрном хозяйстве, медицине и других сферах человеческой деятельности, однако многие из этих веществ – родамины, ализарины и другие – попадая в промышленные стоки, способны серьезно загрязнять окружающую среду. Один из наиболее распространенных загрязнителей водной среды в мире – краситель Родамин Б, особенно из-за его применения в текстильной отрасли и в нефтяном деле. Контакт с ним человека может привести к кожному дерматиту, аллергическим реакциям, проблемам с вниманием, гиперактивности и беспокойству, не говоря уже о токсическом отравлении при попадании красителя внутрь организма. Для природных обитателей водоемов – ракообразных летальная концентрация Родамина Б 10% (LC10) составляет всего 18 мг/л.
Но как контролировать концентрацию токсичного красителя в воде и оперативно выявлять превышение критической отметки, чтобы предотвращать необратимые последствия? Необходим сенсор с чувствительностью не ниже заданного уровня, портативный и легкий, с возможностью быстрой передачи данных – такую задачу поставили перед собой ученые из лаборатории Биомедицинских нанотехнологий.
«Созданный нами сенсор представляет собой оптоэлектронную систему, состоящую из оптического волокна, к которому с одной стороны подключен широкополосный источник света, то есть, фактически, лампа дневного света, а другой стороны волокно соединено со спектрометром, позволяющим измерять спектр пропускания излучения, – Описывают разработку Александр Герасименко и его аспирант Александр Полохин. – Оптическое волокно вытягивается с использованием технологических процедур таким образом, что появляется суженная область. За счет этого геометрического преобразования излучение, распространяющееся внутри волокна без потерь за счет полного внутреннего отражения, распадается на моды высшего порядка в месте сужения. При этом часть излучения выходит за пределы оптического волокна и взаимодействует с окружающей средой (красителем в воде) – и спектр излучения изменяется в соответствии с концентрацией анализируемого вещества».
Новизна разработки – в высокой чувствительности, которую сенсор обеспечивает не только за счет уникальной геометрической конструкции суженного оптоволокна, но и путем применения специальной технологии формирования тонкого и прочного слоя из одностенных углеродных нанотрубок. Такой слой увеличивает адсорбцию молекул красителя к волокну, что повышает чувствительность и точность обнаружения малой, но опасной дозы красителя, поясняет Александр Герасименко. Аналогичные оптические сенсоры, созданные ранее, такой чувствительностью не обладали.
Еще одна особенность нового оптоволоконного сенсора – многократность использования: сенсор имеет высокую стойкость и после промывания водой может применяться повторно, не теряя чувствительности.
В своем исследовании научная группа лаборатории Биомедицинских нанотехнологий опиралась на опыт прошлых проектов. Несколько лет назад ученые НИУ МИЭТ в сотрудничестве с Автономным Университетом Нуево Леона (UANL) в рамках стажировки аспиранта Александра Полохина создали оптоволоконный сенсор для мониторинга концентрации в воде другого распространенного и токсичного химиката – ализарина красного. Результатом работы стала технология синтеза массива многостенных углеродных нанотрубок в узкой части волокна, который абсорбировал на себе молекулы красителя, повышая чувствительность оптоволоконного сенсора. Сенсор имел невысокую механическую прочность, поскольку подвергался высоким температурам при синтезе нанотрубок, но обеспечивал хорошую чувствительность при мониторинге концентрации красителя. Результаты исследования были опубликованы в международном журнале Recent Patents on Nanotechnology.
В партнерстве с Сеченовским университетом проводятся исследования в области разработки медицинских сенсоров – там проявили высокую заинтересованность в результатах исследования: в университете ежедневно проводится мониторинг огромного количества различных биохимических параметров организма человека и животных, а оптоволоконный сенсор можно использовать для экспресс-диагностики маркеров – предвестников заболеваний на ранней стадии.
Высокочувствительный и стойкий сенсор вызвал интерес и у других российских госкорпораций и компаний, осуществляющие мониторинг окружающей среды и диагностику организма: Росгео, Росатом, Газпром, Роснефть, Лукойл, а также у предприятий аграрной, текстильной и медицинской промышленности – ГК «Агропромкомплектация», Объединенная зерновая компания, ТДЛ Текстиль, Камышинский текстиль, Инвитро, Гемотест, Р-фарм.
В Институте биомедицинских систем НИУ МИЭТ планируют продолжать исследования и развивать их в области создания установки с интегральными оптоэлектронным чипом для одновременного экспресс-мультимониторинга химических и биохимических веществ. Готовится к защите диссертационная работа Александра Полохина в области методов контроля концентрации красителей в воде.
Научные работы ведутся в рамках программы развития университета «Приоритет 2030».
