Непредсказуемые пестициды

Новые методы обнаружения загрязняющих веществ разработали в Томске

Двигателями «зеленой революции», позволившей человечеству успешно бороться с голодом, быстро повысив урожайность риса и пшеницы в развивающихся странах, стали генетические исследования, давшие возможность вывести новые сорта растений, сложные ирригационные системы, химические удобрения и… пестициды. Началась «зеленая революция» в Мексике в 1943 году с выведения гибридного штамма пшеницы. Тогда же для борьбы с насекомыми-вредителями были впервые использованы пестициды. Но лекарство оказалось не менее опасным, чем болезнь. Ядохимикаты на основе меди и серы вызвали загрязнение почвы тяжелыми металлами. В середине 1950-х годов их заменили ароматическими, хлор- и фосфорорганическими соединениями (малатион, дихлофос и др.), но затем выяснилось: некоторые из них (например, ДДТ) настолько живучи и летучи, что их следы обнаруживались в печени антарктических пингвинов, хотя в Антарктике пестициды, как вы догадываетесь, не применялись. В XXI веке задумались о губительном воздействии пестицидов на экологию - химикатам свойственно накапливаться в почве, воде и живых организмах. На повестке дня во всех развитых странах встал вопрос мониторинга этих ядовитых соединений. И ученым из Томского политехнического университета благодаря поддержке Российского фонда фундаментальных исследований удалось здесь сказать новое слово.

Грант РФФИ (сегодня - Российский центр научной информации) на реализацию проекта «Метод бимодального детектирования для высокоспецифичного количественного химического анализа в обнаружении пестицидов» был получен группой исследователей под руководством профессора Евгении ШЕРЕМЕТ в 2021 году. Томичам пришла в голову инновационная идея: вместо дорогостоящих лабораторных анализов разработать методику, с помощью которой следы пестицидов можно обнаружить непосредственно в поле. Этакий химический счетчик Гейгера.

Запутанный след

- Лабораторный анализ позволяет выявить в определенным образом подготовленных образцах количество и состав пестицидов, но процесс этот длительный и дорогостоящий, - поясняет руководитель проекта Е.Шеремет. - Между тем существуют портативные методы химического анализа - электрохимические (импедансная спектроскопия и вольтамперометрия) и спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния света (ГКРС, регистрация комбинационного рассеяния с использованием плазмонных структур). Электрохимические методы вполне годятся для количественного анализа, но обладают низкой селективностью, то есть с их помощью часто можно определить, например, тип пестицидов, которые загрязняют почву, но не конкретное соединение. Спектроскопия ГКРС, напротив, позволяет более точно идентифицировать «отпечатки пальцев» молекул и определить конкретные соединения, однако при попытке посчитать их количество возникают проблемы. Естественно, что нам пришло в голову «скрестить» эти методы, чтобы скомбинировать их преимущества. Но как они будут взаимодействовать между собой и как создать структуру, на которой образец можно анализировать и тем, и другим методом, - этот вопрос предстояло изучить.

Проект начинался как международный, томская группа выступала в качестве специалиста по ГКРС, а электрохимическими методами и техникой работы с пестицидами владели коллеги из Германии. Однако с 2022 года немецкий фонд отказался от сотрудничества и обмена данными, и сибирским исследователям пришлось в спешном порядке осваивать электрохимические методы, что усложнило работу по проекту.

- Решили действовать своими силами: младший научный сотрудник Максим Фаткуллин овладел электрохимическими методами, химик Алексей Иванов помог освоить работу с пестицидами, даже технику безопасности читал, - вспоминает Евгения Сергеевна. - Первая задача, которая встала перед нашим коллективом, - сделать специальный ГКРС-электрод, с помощью которого можно обнаруживать пестициды. Применение обоих методов требует подложки, только в случае электрохимии она представляет собой электрод, в случае спектроскопии ГКРС - оптически активный материал с плазмонными структурами (плазмоны - квазичастицы, отвечающие за электронные колебания в твердом теле, они позволяют усиливать оптический сигнал).

Рисунки в стекле

- Сначала мы разработали подложки на стекле, - рассказывает М.Фаткуллин. - Мы первыми в мире научились с помощью лазера «впаивать» в стекло графеновые структуры. За счет этого можно сделать электропроводящий и стабильный композит на основе графена и стекла. Наш метод позволяет «рисовать» графеном электроды, вплавленные в стекло на несколько микрометров. Это обеспечивает возможность длительного использования материала без ухудшения его свойств.

Статья о разработке была опубликована в журнале Advanced Materials. Выяснилось, что «умное» стекло открывает широкие перспективы для микроэлектроники. Однако для детектирования пестицидов нужны были плазмонные структуры.

- Решено было использовать в качестве плазмонно-активного материала серебро, мы разработали проводящие подложки на стекле из серебряных структур. Мы считали, что такая структура будет идеальным ГКРС-электродом. Ведь серебро - самый эффективный материал для усиления оптических сигналов и к тому же используется в электрохимии в качестве основы для электродов, но обнаружить с его помощью пестициды, как ни странно, не удалось, - продолжает М.Фаткуллин. - Заработал лишь третий, гибридный, вариант.

Загадочные спектры

В итоговом варианте подложки использовалось стекло с впаянными графеновыми структурами, на котором электрохимическим способом выращивалось серебро. Процесс изготовления такой подложки напоминает работы Левши: в стеклянную подложку лазером интегрируется углерод, метод создания углерод-стеклянных композитов, как уже упоминалось, разработан в рамках проекта РФФИ. Затем применяют стандартную методику электрохимического восстановления нитрата серебра: на поверхности подложки выращиваются его наночастицы.

- Основная идея этой оригинальной подложки заключается в том, что использование углерода способствует адсорбции молекул, он в этом плане достаточно активен, - поясняет М.Фаткуллин. - Но углерод играет не только роль сорбента, но и помогает электрохимической реакции: серебро, к сожалению, подвержено окислению. Электрохимические реакции происходят в очень ограниченном пространстве, вокруг наращиваются плазмонно-активные частицы серебра, что дает возможность отслеживать все процессы и методом ГКРС.

Именно на такой гибридной подложке удалось детектировать пестициды двумя методами, причем в очень интересной конфигурации.

- В электрохимической ячейке, которая находится под лазерным облучением, мы смогли одновременно менять потенциал для электрохимии и записывать спектр для ГКРС, что позволило реализовать ключевую концепцию проекта, - продолжает М.Фаткуллин. - Стоит отметить, что при совмещении методов выяснилось очень много нюансов: и по сорбции пестицидов, и по материалу электродов, и по механизмам работы, и по спектрам. Спектры, которые мы получили, не совпадали с имеющимися в библиотеках. Проще говоря, когда мы прикладываем потенциал, на электродах происходит что-то еще, возможно, смена химических конфигураций. И это - отдельная тема для дальнейших фундаментальных исследований. Задача детектирования пестицидов, хоть с помощью электрохимии, хоть с использованием ГКРС, не самая тривиальная. Химикам известно, что пестициды - молекулы непредсказуемые. У них есть такое свойство: лучше обнаруживаются в малых концентрациях - пикомолях, наномолях. Иначе говоря, чем больше пестицидов, тем сложнее их зафиксировать, потому что они пассивируют поверхность подложки (переводят поверхность металла в неактивное состояние), препятствуя переносу электродов. Это в отношении электрохимических методов. С точки зрения ГКРС химикаты тоже ведут себя не лучшим образом: при сорбции могут менять конформацию (относительное расположение атомов молекулы в пространстве), отчего их сложно определить, спектры молекул не похожи на их же спектры, полученные методом классической спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС).

- В целом это известная ситуация с органическими молекулами. Изучив литературу по спектрам пестицидов, можно сделать вывод, что эти молекулы очень чувствительны к изменениям и на поверхности подложки с ними что-то происходит, - добавляет Е.Шеремет. - А для того, чтобы понять, что именно, безусловно, нужны дальнейшие фундаментальные исследования. Для аналитики необходимо четко понимать, что молекулы верно идентифицированы. Нужно дополнительно подтвердить, действительно ли это первоначальная молекула, если в процессе исследования изменилась конформация.

Поймать инсектицид

В качестве объектов для детектирования были выбраны органофосфаты имидаклоприд, хлорпирифос и малатион. Все эти яды используются в сельском хозяйстве в качестве инсектицидов - для обработки от вредителей. Имидаклоприд - один из наименее токсичных пестицидов, но крайне трудно уловим - практически не сорбируется на поверхности. Словом, детектирование пестицидов оказалось гораздо более сложной задачей, чем первоначально предполагала команда проекта. Дополнительно пришлось разрабатывать способ очистки посеребренной подложки от загрязнений, чтобы избавиться от паразитных сигналов при детектировании методом ГКРС.

- В ходе реализации проекта мы поняли, что нужно еще пройти этап совершенствования методики и интерпретации спектров, - рассказывает руководитель проекта. - И электрохимические методы, и ГКРС в мире используются достаточно интенсивно, но комбинированная методика - нетипичный подход, а уж применять ее для детектирования пестицидов никто никогда не пробовал. Мы - первые. Но до реализации нашей фантастической идеи - создания портативного прибора для обнаружения пестицидов - еще долгий путь. Нам удалось совместить методы и даже достичь рекордного для ГКРС предела детектирования. Но что происходит с молекулой, когда мы прикладываем потенциал, почему она меняет конформацию, остается загадкой. Как любят говорить ученые: требует дальнейших исследований.

За пределами программы

Основную пользу от поддержки Фонда Евгения Сергеевна Шеремет видит не в обновлении приборного парка, хотя удалось приобрести оборудование для электрохимических исследований, а в создании молодежной команды энтузиастов. Коллектив ключевых участников проекта (Е.Шеремет, профессора Рауль Родригес, М.Фаткуллин, Анна Липовка, Андрей Аверкиев, и др.) прирос студентами и аспирантами, некоторые из них потом остались работать в научной группе TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ. Название группы историческое, ее основатели начинали работать в Германии. Известно, что в англоязычной литературе один из методов гигантского комбинационного рассеяния именуется рамановским (англ. Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS) - в честь первооткрывателя - индийского нобелиата 1930 года Чандрасекхара Венката Рамана, автора новаторской работы в области рассеяния света. Но буквально несколькими днями раньше в СССР эффект комбинаторного рассеяния был зафиксирован Григорием Ландсбергом и Леонидом Мандельштамом. Спор о пальме первенства идет долгие годы и отразился в разных названиях методов - Raman spectroscopy за рубежом и КРС в русскоговорящем научном сообществе.

- На момент начала проекта многие его участники были студентами или аспирантами, - вспоминает Е.Шеремет. - Правда, студентов к работе с пестицидами мы не допускали. Разбавленные до безопасных концентраций растворы готовились в другой лаборатории, но тем не менее всего несколько сотрудников работали непосредственно с этими материалами. Однако, на мой взгляд, студентам более интересны направления вроде биоэлектроники, где сразу можно выйти на результат. Электроника понятнее: сделал устройство, оно как-то работает, можно доводить до ума. А если нужно разобраться с тремя разными методами, прежде чем приступить к исследованиям, то рвение ослабевает. Необходимо понять, что такое пестициды, как работает электрохимический метод, как действует комбинационное рассеяние на плазмонной подложке. Поэтому, скажу честно, в нашей команде остались только энтузиасты.

Грант закончился в 2023 году, но тематика исследований в ТПУ осталась. Выяснилось, что пестициды ведут себя настолько непредсказуемо, что участникам коллектива просто интересно теперь с этим разобраться. Так что создание портативного прибора для обнаружения ядохимикатов с повестки дня не снимается.

Ольга КОЛЕСОВА

Фото предоставлено пресс-службой ТПУ