Новая нанотехнология определяет состав и структуру примесей в воздухе, жидкостях и живых тканях

Найти в живых организмах и природных материалах вредные примеси — нанопластики, загрязнители воздуха и микробы — обычными методами бывает сложно, а иногда и невозможно. Загрязнители иногда содержатся в столь малых количествах, что тесты не срабатывают.


Однако вскоре это может измениться. Нанотехнология на основе «искривлённого» света обещает упростить идентификацию химических примесей в образцах воздуха, жидкости и живых тканей. Международная команда учёных под началом физиков из Университета Бата, Англия, вносит свой вклад в разработку этой технологии. Метод перспективен для мониторинга окружающей среды и производства передовых лекарств. Научную работу о результатах исследования опубликовали в журнале Advanced Materials («Передовые материалы»).

Новый метод обнаружения химических веществ основан на эффекте комбинационного рассеяния. Он возникает, когда материал под светом определённой окраски преобразует его в множество различных цветов. По сути, эффект комбинационного рассеяния создаёт мини-радугу, которая зависит от того, как вибрируют атомы в материалах.

Рамановская спектроскопия (или спектроскопия комбинационного рассеяния) получила своё название в честь индийского лауреата Нобелевской премии по физике за 1930 год. Чандрасекхара Венката Раман обнаружил, что проходящий сквозь прозрачный материал свет меняет длину волны и амплитуду. Измерение цветов рамановской спектроскопии позволяет выявить отдельные атомные связи, поскольку молекулярные связи имеют различные колебательные шаблоны. Каждая связь в материале производит своё собственное уникальное изменение цвета в зависимости от освещения. В целом цвета рамановской радуги служат для обнаружения, анализа и мониторинга химического состава (химических связей) сложных молекул, в том числе тех, которые содержатся в примесях загрязняющих веществ из окружающей среды.

Соавтор исследования Робин Джонс из физического факультета университета Бата пояснил, что эффект комбинационного рассеяния света служит для обнаружения пестицидов, фармацевтических препаратов, антибиотиков, тяжёлых металлов, патогенов и бактерий. Метод также подходит для анализа отдельных атмосферных взвесей, которые влияют на здоровье человека и климат.



Соавтор профессор Лиу Чжан из департамента наук об окружающей среде Университета Фудань в Китае добавил, что водные загрязнители, даже в малых количествах, могут накапливаться в живых организмах по биологической цепочке, и это угроза для здоровья человека, животных и дикой природы. Трудность заключалась в том, чтобы с точностью определить химический состав сложных примесей.

Руководил исследованием профессор Венцислав Валев из Бата, который добавил, что выявлять загрязняющие веществ в окружающей среде важно, чтобы научиться расщеплять их на безвредные компоненты. Но дело не только в том, из каких атомов они состоят. То, как атомы расположены, имеет большое значение — это важно понимания для того, как действуют молекулы, особенно внутри живых организмов.


— Венцислав Валев, профессор из Университета Бата.

Эффект комбинационного рассеяния света очень слаб — меняется цвет только у одного из 1 млн фотонов. Чтобы улучшить метод, учёные используют миниатюрные антенны наномасштаба, которые направляют падающий свет на молекулы. Часто эти антенны изготавливаются из драгоценных металлов, и их конструкция ограничена возможностями нанопроизводства.

Коллектив университетских учёных использовал самые маленькие спиральные антенны, которые когда-либо использовались: их длина в 700 раз меньше толщины человеческого волоса, а ширина антенн в 2800 раз меньше. Эти антенны были сделали из золота учёные из Штутгартского университета в Германии.

Робин Джонс сказал, что учёные получили доказательства того, как эти спиральные антенны помогают получать много рамановских радужных фотонов из молекул. Но что более важно, спиралевидная форма усиливает разницу между двумя типами света, которые часто используются для исследования геометрии молекул. Они известны как свет с круговой поляризацией, и он может быть левосторонним или правосторонним. Антенны-спирали могут, по сути, взаимодействовать со светом. И поскольку физики могут заставить спирали закручиваться влево или вправо, «рукопожатие» с помощью света, которое они изобрели, может осуществляться как левой, так и правой «рукой».

Взаимодействие, которое условно назвали «рукопожатиями», наблюдалось и раньше. Главное достижение в том, что учёные впервые показали: молекулы реагируют на воздействие, поскольку это влияет на их комбинационную радугу. Этот новый важный шаг позволит науке эффективно и надёжно различать левосторонние и правосторонние молекулы, сначала в лаборатории, а затем в окружающей среде.

Чтобы продемонстрировать, что взаимодействие между светом и антеннами может передаваться молекулам, исследователи использовали молекулы кристаллического фиолетового цвета, которые сами по себе не способны взаимодействовать со светом. Тем не менее эти молекулы вели себя так, как будто могли выполнять эту функцию, выражая способность золотых наноструктур, к которым они были прикреплены, «поддерживать связь».

Другим важным аспектом научной работы стало сотрудничество с двумя промышленными партнёрами, добавил профессор Валев. Компания VSParticle производит стандартные наноматериалы для измерения комбинационного рассеяния света. Наличие общих стандартов действительно важно для исследователей по всему миру, чтобы иметь возможность сравнивать полученные результаты. Другой промышленный партнёр учёных — Renishaw PLC, это ведущий мировой производитель оборудования для рамановской спектроскопии и микроскопии.

Такое сотрудничество необходимо, чтобы новая технология могла выйти из лабораторий в реальный мир с его экологическими проблемами.