21 апр 2023 1 025

Взрывчатку и яды научились обнаруживать новым способом

Ученые Уральского федерального университета (УрФУ) разработали новые флуоресцентные материалы на основе производного пирена. Они могут быть использованы как высокочувствительные сенсоры, способные обнаруживать нитросодержащие токсичные и взрывчатые вещества в растворах и газах. Уральские химики работали в сотрудничестве с коллегами из Института органического синтеза УрО РАН и Университета Алеппо (Сирия). Статья о новом материале опубликована в журнале Chemosensors.

Специалисты придумали устройство, которое прокачивает воздух и фиксирует изменения яркости материалов в режиме реального времени. Когда в потоке воздуха появляются пары нитроароматических веществ, свечение становится менее интенсивным. Степень свечения зависит от концентрации паров и длительности их воздействия. Сенсоры помещают в небольшой прибор, который имеет компактную видеокамеру для измерения уровня флуоресцирования.

Мы использовали разбавленные пары различных нитро-аналитов в концентрациях вплоть до 0,1% от насыщенных концентраций, чтобы максимально приблизить условия экспериментов к реальным. Ведь на практике запахи разбавляются в воздухе, и чаще всего возможно обнаружить только их следы

— инженер кафедры экспериментальной физики ФТИ УрФУ Роман Чувашов.

Сенсорные свойства материала ученые оценили с помощью математической модели. Модель позволила связать снижение интенсивности флуоресценции с концентрацией исследуемого вещества и длительностью действия паров и провести расчет минимальных обнаруживаемых материалом концентраций.

Опробованная технология получения сенсорного материала на воздухопроницаемой подложке из меламин-формальдегидной пены, оригинальное оборудование, описательная модель флуоресцентного сигнала позволяют рассматривать сенсорные качества флуоресцентных проб в твердом виде и то, как они изменяются в составе композитов. К наилучшим результатам флуоресцентный метод приводит при использовании комбинаций сенсорных материалов с разнообразными реакциями на тушители — пары веществ

— Роман Чувашов.

Разработка новых сенсорных материалов для выявления следов взрывчатых веществ и их прекурсоров является задачей национальной безопасности во всем мире. Нитроароматические соединения широко применяются для производства взрывчатых составов, а на человека частицы и пары нитроароматики оказывают токсичное и канцерогенное воздействие.

Для обнаружения и количественного определения этих веществ разработано множество методов, предполагающих применение дорогостоящего и громоздкого оборудования, не адаптированного для экспресс-анализа. Флуоресцентный метод определения, который разработали ученые, отличается простотой технического исполнения, дешевизной, высокой чувствительностью к определяемым аналитам и позволяет дистанционно обнаруживать вещества по испаряющимся с их поверхности молекулам.

Сенсорные материалы на основе флуоресценции в недавнем прошлом нашли свое применение в определении различных химических соединений. Эти материалы светятся в различных цветах в зависимости от того, какие вещества они обнаруживают. Флуоресцентные материалы использовались для выявления различных газов, таких как аммиак, углекислый газ и пары тяжелых металлов.

Флуоресцентные сенсоры широко используются в различных областях. Основным достоинством таких материалов является их возможность регистрации минимальных концентраций веществ при низкой концентрации на фоне других. Также они могут быть использованы для обнаружения токсинов и в промышленности, и в медицине

— старший преподаватель кафедры органической химии УрФУ Михаил Кузнецов.

Новый синтезированный материал может быть использован для обнаружения различных видов взрывчатых веществ и токсичных соединений, таких как нитробензол, толуол и другие нитрогетероциклические соединения. Метод флуоресценции, используемый в материале, является одним из самых чувствительных в мире.

В исследовании использовалась разбавленная пара нитро-аналитов в концентрациях вплоть до 0,1% от насыщенных концентраций, что максимально приближает условия экспериментов к реальным, так как запахи на практике разбавляются в воздухе. Также для получения сенсорного материала использовалась воздухопроницаемая подложка из меламин-формальдегидной пены. Данные материалы имеют свойства, позволяющие рассматривать сенсорные качества в твердом виде и то, как они изменяются в составе композитов.

Исследования были выполнены при финансовой поддержке РФФИ и Минобрнауки России. Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня — части национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России. Университет — участник государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».