Успешное решение проблем экологии, медицины, сельского хозяйства и других отраслей науки и экономики во многом зависит от состояния сферы аналитического контроля и мониторинга биологически активных веществ в различных объектах и средах. В свою очередь, развитие этой сферы определяется наличием эффективных, чувствительных, экологически безопасных и вместе с тем простых и недорогих методов химического анализа, пригодных для массового использования.
Фото: Владислав Лоншаков, Коммерсантъ
Фото: Владислав Лоншаков, Коммерсантъ
В этом отношении новые возможности для развития химического анализа открывают наночастицы и материалы на их основе — нанокомпозиты. Под нанообъектами подразумевают объекты, размеры которых лежат на уровне 1–100 нм (1 нм = 10–9 м). Благодаря особым свойствам вещества в наноразмерном состоянии, эти объекты можно использовать в качестве основы для создания чувствительных сенсоров и материалов для обнаружения, концентрирования и определения содержания биологически активных веществ. Это направление развивается на кафедре аналитической химии химического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
Для решения такой задачи предложены наночастицы различного типа: сферические наночастицы золота и серебра, наностержни золота и наностержни, ядро которых состоит из золота, а оболочка — из серебра, треугольные нанопластинки серебра, а также суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (II, III).
Микрофотографии и цвет растворов сферических наночастиц золота, наностержней золота, наностержней с ядром из золота и оболочкой из серебра и треугольных нанопластинок серебра
Микрофотографии и цвет растворов сферических наночастиц золота, наностержней золота, наностержней с ядром из золота и оболочкой из серебра и треугольных нанопластинок серебра
Перспективность использования для химического анализа наночастиц золота и серебра во многом связана с их уникальными оптическими свойствами: наличие в системе небольшого количества этих наночастиц выражается в появлении окраски, легко различимой даже невооруженным глазом. Важно, что в присутствии определяемых веществ происходит существенное изменение окраски, к которому приводит агрегация (слипание) наночастиц, изменение их формы или состояния поверхностного слоя. Все эти процессы могут служить основой работы сенсоров.
Оценку концентрации определяемого вещества можно провести даже визуально путем сравнения со стандартной цветовой шкалой или с помощью камеры мобильного телефона. Если же содержание вещества требуется оценить более точно, то можно прибегнуть к помощи широкодоступного и недорогого спектроскопического оборудования, имеющегося практически в каждой лаборатории. Этот подход хорошо зарекомендовал себя для определения биологически значимых тиосоединений (цистеин, глутатион и др.), гормонов (адреналин, дофамин и др.) и антиоксидантов (флавоноиды, аскорбиновая кислота).
Примеры наблюдаемых цветовых изменений растворов наночастиц в результате их агрегации в присутствии определяемых соединений
Примеры наблюдаемых цветовых изменений растворов наночастиц в результате их агрегации в присутствии определяемых соединений
Перспективность суперпарамагнитных наночастиц оксида железа (II, III) определяется легкостью управлениями ими с помощью обычного сильного магнита. Например, разработан сорбент на основе полимерной матрицы с нанесенными на нее суперпарамагнитными наночастицами. Такой сорбент характеризуется высокой эффективностью концентрирования биологически активных веществ из объектов, где их содержание мало, что позволяет в десятки и сотни раз повысить чувствительность химического анализа, если речь идет об определении следовых количеств веществ, например, при анализе продуктов питания, природных вод или биологических жидкостей. И такой сорбент легко отделяется от раствора, что значительно упрощает процедуру анализа. Разработанные сорбенты показали высокую эффективность для концентрирования антибиотиков (тетрациклины, амфениколы), антибактериальных препаратов (сульфаниламиды), гормонов (катехоламины). В большинстве случаев 0,02 г такого сорбента позволяет извлекать более 90% определяемого вещества за примерно 5 минут. Универсальность сорбционных свойств материала делает его перспективным для выполнения скрининговых исследований, когда нужно за одну операцию извлечь из пробы максимальное число веществ различных типов.
Суперпарамагнитные наночастицы, они же на поверхности гранулы полимерного сорбента и процесс перемещения магнитного сорбента в растворе под действием постоянного магнита
Суперпарамагнитные наночастицы, они же на поверхности гранулы полимерного сорбента и процесс перемещения магнитного сорбента в растворе под действием постоянного магнита
Указанные возможности для химического анализа являются только частью перспектив, которые открывает сфера нанотехнологий, активно развиваемая сегодня во всем мире. Несмотря на успехи, достигнутые в этой области, есть надежда, что «маленькие» нанообъекты скрывают еще много больших сюрпризов для науки, свидетелями которых мы, возможно, станем.