- Информация о материале
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 (X. Yu, D. I. Pavlov, A. A. Ryadun, K. A. Kovalenko, T. Y. Guselnikova, E. Benassi, A. S. Potapov, V. P. Fedin. “Experimental and theoretical elucidation of the luminescence quenching mechanism in highly efficient Hg2+ and sulfadiazine sensing by Ln-MOF” // Angew. Chem. Int. Ed. 2024.e202410509).
Опубликовано 09.08.2024 на сайте РНФ, Российская газета, ТАСС - Наука, РАН.
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.
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.
- Информация о материале
5 июня делегация Донецкого техникума химических технологий и фармации, прибывшая на профессиональную стажировку в Новосибирский химико-технологический колледж им. Д. И. Менделеева, посетила Новосибирский Академгородок.
Материал на сайте Новосибирского химико-технологического колледжа им. Д.И. Менделеева, 10.06.2024.
В рамках знакомства с научным центром Западной Сибири гости из Донбасса посетили два научно-исследовательских центра Сибирского отделения Российской академии наук: Институт неорганической химии им. А.В. Николаева и Институт катализа им. Г.К. Борескова.
- Информация о материале
Материалы о разработке сотрудников Института опубликованы на сайте РАН 6 июня 2024 года: "Исследователи Отдела прикладной физики Физического факультета Новосибирского государственного университета в сотрудничестве с коллегами из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН разработали способ увеличения удельной ёмкости и числа циклов зарядки-разрядки литий-ионных батарей."
Новость на сайте РАН, 06.06.2024. Наука в Сибири, 06.06.2024. Вести Новосибирск, 13.06.2024. Источник: пресс-служба НГУ, текст: Елена Панфило.
Это стало возможным благодаря использованию анодного материала в форме нанопорошка на основе кремния, полученного учёными отдела прикладной физики ФФ НГУ под руководством заведующего отделом Александра Зарвина. Способ его синтеза недавно был запатентован вузом. Индустриальные партнеры НГУ уже высказали заинтересованность во внедрении этой разработки.
При получении нанопорошка учёные используют метод разложения кремний- и углерод-содержащих газов (пиролиз) с последующим синтезом твёрдых веществ кремний-углеродного состава. Для этого исходные газы путем адиабатического сжатия нагревают до высоких температур, при которых происходит разложение газов до атомарного уровня. В установке — циклическом химическом реакторе сжатия (ЦХРС), которую назвали Гипербар, в точке наибольшего сжатия, называемой верхней мёртвой точкой, достигают давления 3–12 МПа, что в десятки раз превышает атмосферное. При сжатии газы нагреваются. За стадией сжатия следует стадия расширения, в ходе которой из атомов кремния и углерода образуются композитные наночастицы, составляющие основу анодного материала.
«Наряду с высокой электрической ёмкостью кремний характеризуется очень низкой стойкостью к циклам заряда-разряда. При заряде кремний претерпевает трёхкратное увеличение объёма и без каких-либо ухищрений после первых же циклов заряда-разряда структура кремния разрушается, а его ёмкость катастрофически падает. Создание структуры с кремниевым ядром и углеродной оболочкой представляется решением проблемы. Прочная углеродная оболочка должна обеспечить удержание кремния в ядре от разрушения, а ее высокая электропроводность обеспечивает высокие электропроводящие характеристики анода. Разработанный способ позволяет получать именно такие наночастицы размером несколько десятков нанометров с кремниевым ядром и углеродной (графеновой) оболочкой. Побочным продуктом реакции является газообразный водород, который также представляет коммерческий интерес. Способ, которым производятся нанопорошки, отличается высокой производительностью и высокой однородностью частиц порошка по размеру, что выгодно отличает его от многих других способов получения нанопорошков», — объяснил сотрудник отдела Борис Ездин.
Впервые сотрудники отдела получили нанопорошки во время проведения другого исследования, когда занимались конверсией природного газа на собственной установке Гипербар. Они пытались преобразовать природный газ в химически ценное сырьё — так называемый синтезгаз, представляющий собой смесь угарного газа (СО) и водорода (Н2). По ходу экспериментов исследователи пришли к выводу, что можно получать ещё и порошки хорошего качества — углеродные порошки в различных аллотропных формах.
«Для литий-ионных батарей весьма перспективными считаются порошки, в которых кремний совместно с углеродом образует композит. Оказалось, что именно этот порошок позволяет увеличить удельную ёмкость таких батарей, причем не на проценты, а в несколько раз. Для начала — в два, но это не предел. Таким образом мы получили анодный материал для литий-ионных батарей, обладающий высокой устойчивостью структуры в процессе циклирования и высокими удельными электрохимическими характеристиками. Наше изобретение может применяться при производстве литий-ионных аккумуляторов, используемых для питания крупногабаритных электростанций, гибридных и электрических транспортных средств, систем бесперебойного электроснабжения, робототехники и автономных устройств, компьютеров и мобильных телефонов», — рассказал Борис Ездин.
- Информация о материале
Материалы о разработках сотрудников Института опубликованы в номере "Наука в Сибири" от 6 мая 2024 года: "Покрытия для имплантатов, разработанные в Сибири, показали высокие антибактериальные свойства". Ученые Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН получили пленочные гетероструктуры на материалах имплантатов, состоящие из подслоя золота или иридия, на который методом осаждения из паровой фазы нанесено серебро. В новом исследовании, результаты которого опубликованы в International Journal of Molecular Sciences, изучены биосовместимость и антибактериальные свойства этих покрытий.
Новость на сайте РАН, 07.05.2024 "Разработаны покрытия для имплантатов с высокими антибактериальными свойствами"
Современные имплантаты, которые используются в ортопедической, реконструктивной и онкологической медицине, как правило, изготавливаются из нержавеющей стали, титана и различных сплавов металлов. Важной проблемой для таких имплантатов, мешающей им приживаться в организме, становятся бактерии, которые образуют биопленки и отличаются повышенной устойчивостью к действию иммунной системы, антибиотиков и дезинфицирующих средств. Особенное значение это приобретает в онкологической практике, где пациенты имеют сниженный иммунитет и склонность к инфекционным осложнениям.
Чтобы препятствовать размножению бактериальных колоний, на поверхность имплантатов наносят специальные покрытия. В медицине еще не выработан идеальный состав таких покрытий, и до сих пор продолжаются поиски наиболее эффективного материала для подобных применений. Ученые ИНХ СО РАН предлагают наносить на имплантаты пленочные гетероструктуры Ag/Ir или Ag/Au, полученные методами физического и химического осаждения из газовой фазы. Это позволяет проводить эксперименты при относительно низких температурах и работать с изделиями сложной 3D-геометрии.
Покрытия Ag/Ir и Ag/Au позволяют имплантатам приживаться в организме
«Сформированные нами структуры представляют собой биоматериалы с подслоем металлов платиновой группы или золота, на который затем наносится активный компонент — серебро с различной концентрацией и поверхностным состоянием (наночастицы, нанокластеры, островковые или тонкие сплошные пленки). Иридий и золото выбраны в качестве подслоя для активации антибактериального эффекта, который определяется разницей потенциалов в гальванических парах “серебро — благородный металл” и, соответственно, динамикой выделения серебра в биологическую среду», — рассказывает главный научный сотрудник ИНХ СО РАН доктор химических наук Наталья Борисовна Морозова.
В гальванических парах “серебро — благородный металл” происходит анодное растворение серебра как более активного металла. В этом случае ионы серебра, обладающие антибактериальным эффектом, выделяются в раствор более эффективно, чем ионы серебра с поверхности имплантата без подслоя (здесь Ag выступает как катод, и поэтому отсутствует электрохимическая активация процесса).
В новом исследовании ученые оценили биоцидное действие таких покрытий по отношению к наиболее распространенным в онкологической практике колониям грамположительных (S. аureus, золотистый стафилококк) и грамотрицательных (P. аeruginosa, синегнойная палочка) бактерий. Работа проводилась совместно с коллегами из Национального медицинского исследовательского центра им. ак. Е. Н. Мешалкина, Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и Новосибирского государственного университета. ИНХ СО РАН отвечал за нанесение гетероструктур на материалы имплантатов. В НГУ и ИФП СО РАН исследовались состав, микроструктура, морфология и другие характеристики получаемых покрытий, а в НМИЦ им. ак. Е. Н. Мешалкина — их биологические характеристики (цитотоксичность, антибактериальная активность, здесь же проводился морфогистологический анализ).
В качестве материала имплантата ученые использовали сплав Ti-6Al-4V (диски диаметром 10 мм, толщиной 2 мм). На него наносили подслои Ir или Au толщиной порядка 1 мкм, а затем на поверхность осаждали антибактериальный компонент — серебро в различных состояниях. Содержание металла на поверхности и динамику растворения серебра изучали методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой ИСП-АЭС. Затем исследовали биосовместимость на культурах клеток и при подкожной имплантации образцов лабораторным животным (имплантаты туда помещали сроком на 30 и 90 дней). В данном случае изучали капсулу из фиброзной ткани, которая естественным образом формируется в результате реакции организма на инородное тело.
Результаты экспериментов показали, что покрытие с подслоем из золота, на поверхности которого оксидная фаза Ag является преобладающей, демонстрировало менее интенсивный, но более пролонгированный процесс растворения серебра. Такие образцы показали отсутствие признаков воспаления даже при длительных временах имплантации. Структура с подслоем из иридия, в свою очередь, характеризовалась максимальным растворением основной части серебра.
«Мы ищем пути, которые позволили бы реализовать двойной эффект: быстрое выделение серебра на первом этапе плюс его пролонгированное высвобождение в течение длительного времени, необходимое, чтобы сохранить антибактериальный эффект в течение всего срока приживаемости имплантата (минимум три месяца). Структура Ag/Au показалась нам наиболее перспективной, поскольку она способна выделять серебро дольше всех остальных вариантов. Наличие в Ag/Au окисленной фазы Ag в виде пленки препятствует быстрому растворению активных наночастиц серебра и мелких нанокластеров, которые постепенно выделяются в биологическую среду. Однако Ag/Au работает медленно на первом этапе, что является недостатком. Мы продолжаем искать пути, которые позволили бы управлять фазовым составом антибактериального компонента, чтобы обеспечить оптимальную динамику выделения серебра для пленочных гетероструктур на основе благородных металлов», — рассказывает Наталья Морозова.
Исследование выполнено в рамках проекта РНФ № 20-15-00222-П «Новые классы онкологических имплантируемых устройств с композиционными покрытиями из благородных металлов».
Диана Хомякова
Изображение предоставлено исследователями
© ИНХ СО РАН 1998 – 2025 г.