Контроль безопасности. Новый полимер с высокой точностью выявит ртуть и антибиотики в жидкостях

Ученые создали 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.

Кроме того, новый полимер ускоряет диагностику на наличие сульфадиазина минимум
в три раза по сравнению с другими методами. Результаты исследования, поддержанного
грантом РНФ, опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.

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 (Новосибирск), Института
неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск) 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.

Фото кристаллов металлоорганического координационного полимера под
микроскопом в свете ультрафиолетовой лампы и фотографии водных суспензий
полимера в присутствии и в отсутствии ионов ртути и сульфадиазина.
Источник: Юй Сяолинь

Авторы 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.

Кроме того, ученые 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.

Ученые отмечают, что 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 также 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», — рассказывает участник проекта, поддержанного
грантом РНФ, Андрей Потапов, ведущий научный сотрудник лаборатории
функциональных материалов на основе кластеров и супрамолекулярных соединений
Новосибирского государственного университета.

Изображение на обложке: схематическое изображение лиганда в составе металлоорганического
координационного полимера и двух его функций: связывания ионов ртути и
взаимодействия с молекулами сульфадиазина. Источник: Юй. Иллюстрации предоставлены РНФ