Инновационный материал для высокоточных датчиков обнаруживает воду и токсичные вещества

Исследователи из ИТМО и Национального медицинского исследовательского центра им. В. А. Алмазова разработали инновационный материал на основе металл-органического каркаса (МОК). Этот материал может быть использован для создания высокопроизводительных и долговечных датчиков, способных быстро обнаруживать воду и токсичные вещества. Об этом сообщает пресс-служба университета.

По словам исследователей, структура нового материала позволяет мгновенно определять изменения влажности и обнаруживать опасное соединение — диметилформамид (ДМФ), которое часто используется в промышленности.

Для оперативного обнаружения токсичных веществ и контроля влажности на производствах обычно применяют цветоизменяющие датчики. Они основаны на сольватохромных материалах, которые меняют цвет в зависимости от среды растворителя. В настоящее время большинство таких датчиков создают с использованием красителей и неорганических солей. Однако у них есть недостатки: они не могут быть использованы многократно, токсичны для живых организмов, могут вызывать аллергию и накапливаться в организме, а также реагируют на широкий спектр соединений, что не всегда позволяет точно определить конкретное вещество.

В ИТМО предлагают использовать металл-органические каркасы (МОК) в качестве альтернативы. Это высокоупорядоченные гибридные структуры, состоящие из органических молекул и ионов металла. Их химический состав можно изменять, придавая им необходимые физические и химические свойства.

До недавнего времени большинство сольватохромных МОК были недолговечными. В лучшем случае они могли выдержать несколько десятков циклов смены цвета, после чего разрушались. Кроме того, они медленно меняли цвет при взаимодействии с растворителем, а исследований, подтверждающих их биосовместимость, не проводилось.

Учёным ИТМО удалось создать высокоустойчивый и биосовместимый сольватохромный МОК на основе ионов кобальта и тримезиновой кислоты. Этот материал быстро и избирательно обнаруживает воду и токсичные соединения. В отличие от других материалов, он обладает селективностью: в экспериментах с различными растворителями он реагировал только на два вещества — воду и диметилформамид.

Структура нового материала реагирует на воду и диметилформамид практически мгновенно — за 0,1 секунды. Это в 600 раз быстрее, чем у других МОК. Материал стабилен и долговечен: он сохраняет свою структуру при температуре до 300 °C и выдерживает более 50 циклов радикального изменения цвета.

Учёные из Национального медицинского исследовательского центра им. В. А. Алмазова проверили безопасность материала для живых организмов. Они вводили металл-органический каркас в органы рыб Danio rerio, выдерживали эмбрионы рыб в растворе на его основе и проверяли выживаемость и поведение животных. Результаты показали, что средняя летальная доза для взрослых особей составляет 6 мг/кг массы тела, что указывает на относительную безопасность вещества при пероральном введении. 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 материала позволяет использовать его в эксикаторах — сосудах для хранения химикатов и товаров, чувствительных к воздействию воды.

Учёные считают, что разработанный материал может быть использован для создания устройств обнаружения молекул воды, которые найдут применение на химических производствах, где выделение воды является критичным. Также они смогут обнаруживать токсичные молекулы диметилформамида, которые используются в нефтяной промышленности, производстве кожи и красителей. Это бесцветное и почти беззапаховое соединение, которое можно обнаружить только с помощью специальных приборов.

«Наше исследование представляет собой значительный шаг вперёд в области химической сенсорики, поскольку мы впервые продемонстрировали самый быстрый, прочный и биосовместимый сенсор на основе металл-органического каркаса, — говорит Мария Тимофеева, младший научный сотрудник ИТМО. — В будущем мы планируем продолжить исследования в области сольватохромных материалов и начать разработку прототипа устройства для реального применения на производстве».

Исследователи также отмечают, что материал может быть адаптирован для использования в других областях, таких как медицина и экология. Например, он может быть использован для мониторинга уровня влажности и обнаружения токсичных веществ в воздухе и воде, что особенно важно в условиях ухудшения экологической обстановки.

Кроме того, учёные планируют изучить возможность создания многоразовых датчиков на основе нового материала. Это позволит значительно снизить затраты на производство и эксплуатацию сенсоров, а также уменьшить количество отходов.

Разработанный материал открывает новые перспективы для развития химической сенсорики и может стать основой для создания более эффективных и безопасных устройств для обнаружения различных веществ.