Российские и итальянские исследователи разработали полимер, способный распознавать в воде соединения ртути и широко используемый в птицеводстве антибиотик сульфадиазин. Сенсор позволяет улавливать низкие (в два раза меньше допустимых для ртути и в 800 раз ниже допустимых для антибиотика) концентрации опасных веществ, поэтому его можно использовать для контроля безопасности почв, водоемов и продуктов питания.
Новый полимер ускоряет диагностику на наличие сульфадиазина минимум в три раза по сравнению с другими методами.
В почву и водоемы вместе с промышленными отходами попадают различные опасные соединения, например, ионы тяжелых металлов — в частности, ртути. По пищевым цепям ртуть поступает в организмы животных, растений, а также человека и, накапливаясь там, ухудшает их состояние. Если человек часто ест рыбу, то в его организм поступает 1–20 микрограмм ртути в день при норме 1–5 микрограмм. Избыток ртути нарушает обмен веществ, работу центральной нервной системы, почек и других органов.
Другой вредный загрязнитель почвы и воды — антибиотики. Один из недорогих и широко используемых при выращивании птицы антибиотиков — сульфадиазин. Попадая в окружающую среду, препарат вызывает у бактерий устойчивость к нему, а также по пищевым цепям оказывается в мясе и молочных продуктах. Поступая в организм человека с пищей, антибиотик вредит печени и повышает риск развития рака. Чтобы бороться с этими проблемами, ученые разрабатывают полимерные сенсоры для определения загрязненности воды ионами ртути и сульфадиазином. Однако существующие на сегодняшний день устройства реагируют на сульфадиазин слишком медленно — от 20 секунд до 6 минут, при этом самая быстрая реакция сопровождается низкой чувствительностью, что не подходит для применения в полевых условиях. Полимеры для выявления ртути реагируют быстрее — от 5 до 15 секунд, — но они также недостаточно чувствительны для выявления низких концентраций загрязнителей.
Ученые из Новосибирского государственного университета, Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН и Университета Модены и Реджо-нель-Эмилии (Италия) создали новый полимер из пористого материала, по структуре напоминающего каркас или сеть. В него включили химические группы, связывающие нужные загрязнители — в данном случае ионы ртути и антибиотик. Авторы сформировали полимер на основе ионов металла тербия и органического компонента (лиганда), содержащего углеродные кольца с атомами азота. Такую пару веществ выбрали, чтобы свечение полимера изменялось при обнаружении загрязнителей. Так, органический компонент способен улавливать ультрафиолетовое излучение и в присутствии антибиотика или ртути передавать поглощенную энергию на ионы тербия, которые в ответ испускают ярко-зеленый свет. Это свечение хорошо заметно невооруженным глазом, кроме того, его интенсивность, указывающую на степень загрязненности, можно измерить с высокой точностью с помощью прибора спектрофлуориметра.
Ученые проверили чувствительность нового сенсора. Они добавили к жидкости с частицами полимера (суспензии) заранее известные концентрации ионов ртути. Оказалось, что полимер примерно в 11 эффективнее, чем другие сенсоры, — он обнаруживает токсичное вещество в концентрации около 0,18 микрограммов в литре, что более чем в два раза ниже предельно допустимой концентрации в питьевой воде. Также авторы протестировали чувствительность и на антибиотике. Предел обнаружения препарата с использованием полимера составил около 0,12 микрограмм на литр, что в 800 раз ниже предельно допустимой концентрации этого вещества в молочных продуктах. При этом на измерение требовалось всего семь секунд — это минимум в три раза меньше, чем при использовании других подходов.
Отличить отклик полимера на ртуть и антибиотик нельзя, но обычно эти загрязнители отслеживают в разных объектах: для антибиотиков это мясо и молочные продукты, а для ртути — вода различного происхождения (питьевая, речная, подземные воды).
Испытания показали, что новый материал перспективен для обнаружения сульфадиазина в медицинских и криминалистических целях. В связи с широким применением антибиотика в клинической практике важно контролировать сверхнизкие концентрации его остатков в крови и моче. Авторы протестировали полимер, оценив с его помощью количество сульфадиазина и ионов ртути в растворах, по химическому составу напоминающих кровь и мочу. Для этого исследователи растворили в образцах заранее известные концентрации выявляемых веществ и проверили, насколько точно их определит сенсор. Чувствительность на ртуть и антибиотик была такой же, как в чистой воде.
«Предложенные методы обнаружения двух опасных веществ — соединений ртути и антибиотика сульфадиазина — просты, но при этом высокочувствительны, что позволит использовать их для контроля безопасности объектов окружающей среды и продуктов питания. В дальнейшем мы планируем создать простые тестовые системы для обнаружения ионов ртути и сульфадиазина без использования спектрофлуориметра, а также применить разработанный теоретический подход для предсказания круга веществ, которые можно обнаруживать по изменению люминесценции различных металлоорганических полимеров», — рассказал участник проекта Андрей Потапов, ведущий научный сотрудник лаборатории функциональных материалов на основе кластеров и супрамолекулярных соединений Новосибирского государственного университета.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.
