Российские ученые создали наносенсор для одновременного определения семи ионов в воде, включая токсичные тяжелые металлы, рассказали в пресс-службе Российского научного фонда.
Устройство работает на основе углеродных наночастиц: под воздействием ультрафиолета они люминесцируют (светятся синим), а спектр свечения меняется в зависимости от состава раствора. Нейросеть анализирует спектры и определяет концентрации элементов.
Технология позволит создавать компактные анализаторы для быстрой оценки состава сточных вод и состояния водоемов в полевых условиях. Исследование поддержано грантом РНФ и опубликовано в журнале Scientific Reports.
Промышленные стоки химических, металлургических, текстильных и других заводов загрязняют окружающую среду тяжелыми металлами. Эти вещества распространяются по пищевым цепям и могут вызывать заболевания у живых организмов, включая человека.
Для контроля содержания таких загрязнителей обычно применяют точные, но затратные лабораторные методы — они требуют дорогостоящего оборудования и сложной подготовки образцов. Поэтому ученые ищут более простые способы экспресс‑мониторинга для полевых условий.
Ученые из МГУ имени М. В. Ломоносова разработали наносенсор, который мгновенно определяет в воде содержание семи распространенных ионов‑загрязнителей: меди, никеля, кобальта, свинца, алюминия, хрома и нитрат‑ионов.
За основу сенсора авторы взяли углеродные точки — частицы размером примерно в 50 раз меньше бактерий. Их синтезировали гидротермальным методом из лимонной кислоты и этилендиамина: вещество добавило в наночастицы азот, усиливающий свечение. Для этого исходные компоненты растворили в воде и нагрели до 200°C при повышенном давлении — так сформировались нужные наноструктуры.
При облучении ультрафиолетом частицы люминесцируют (испускают синее свечение), а интенсивность и оттенок свечения (спектр) меняются в зависимости от типа и концентрации ионов в растворе. Исследователи приготовили 7 813 вариантов растворов с разными комбинациями и концентрациями ионов никеля, меди, кобальта, свинца, алюминия, хрома и нитрат‑анионов, добавили в них углеродные точки и зарегистрировали спектры свечения.
Затем авторы разработали нейросеть, обучив ее распознавать связь между спектром и химическим составом раствора. В итоге алгоритм научился определять концентрации всех семи ионов даже в сложных многокомпонентных смесях — с точностью, соответствующей требованиям к промышленным устройствам для анализа сточных и технологических вод.
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
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в России синтезировали криогель для очистки сточных вод.
