Ученые Санкт-Петербургского государственного университета совместно со специалистами Университета «Сириус» и Академического университета создали самые маленькие наночастицы металлорганических полимеров, которые позволят определить содержание тяжелых металлов в воде.

Результаты экспериментов и описание свойств полученных частиц были опубликованы в научном журнале Nanomaterials.

Металлорганические полимеры, или металлорганические каркасные структуры (МОКС), — это соединения, в которых ионы металлов связаны между собой органическими молекулами — линкерами. Используя разные комбинации металлов и линкеров, можно получать материалы с различными структурой и свойствами. Сегодня соединения на основе МОКС используются при производстве электрохимических сенсоров, в химической промышленности как катализаторы реакций, а также в качестве присадки к ракетному топливу.

Некоторые соединения являются люминофорами, то есть способны излучать свет под действием ультрафиолета, электромагнитного поля или других возмущений. Люминесцентные МОКС используются для создания экранов мониторов и люминесцентных термометров, а также для диагностики раковых заболеваний. Кроме того, люминофоры могут быть использованы в качестве высокочувствительных сенсоров для обнаружения вредных веществ за счет своих люминесцентных свойств.

Химики СПбГУ синтезировали самые маленькие наночастицы с помощью ультразвука. Для этого на ультразвуковой бане к раствору хлорида европия ученые медленно — буквально по каплям — добавляли раствор терефталата натрия, что приводило к образованию осадка. Ультразвуковые волны в данном случае помогают тщательнее перемешивать раствор, замедляют рост частиц и предотвращают их слипание — все это позволяет сделать соединение более стабильным.

В результате синтеза ученые смогли получить частицы разных размеров: от восьми нанометров до сотен микрон. На текущий момент синтезированные химиками СПбГУ восьминанометровые наночастицы терефталата европия являются самыми маленькими частицами металлорганических каркасных структур редкоземельных элементов.

«Мы не ожидали, что уменьшение концентрации реагирующих веществ всего в два раза приведет к уменьшению размера частиц почти в тысячу раз. Вероятно, такой эффект связан с присутствием в растворе комплекса европий-терефталат в соотношении 1:1, который способствует более быстрому росту числа зародышей кристаллов. Раньше исследователям удавалось получить наночастицы терефталата европия диаметром 40 нанометров и больше. Мы же синтезировали частицы в пять раз меньше», — поделился руководитель исследования, доцент кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ доктор химических наук Андрей Мерещенко.

Разработанный химиками способ синтеза наночастиц вносит большой вклад в нанотехнологию и координационную химию, поскольку дает возможность синтезировать наночастицы из других металлорганических каркасных структур. Во время исследования эксперты СПбГУ также обнаружили, что ионы тяжелых металлов существенно тушат люминесценцию полученных наночастиц, что позволяет использовать их в качестве сенсоров для обнаружения ионов тяжелых металлов в воде.

«Это открытие поможет создать эффективные сенсоры для контроля содержания ионов тяжелых металлов в питьевой воде. Чувствительность наших люминофоров немного ниже предельно допустимых концентраций, что позволит точно определить присутствие опасных веществ в воде, причем в малых концентрациях, благодаря размеру наночастиц», — рассказал один из авторов работы, обучающийся СПбГУ по направлению «Химия» Виктор Носов.

Полученные учеными наночастицы также могут быть использованы как люминесцентные сенсоры для определения ионов железа, меди и хрома в воде.

Содержание этих металлов в воде может быть опасно для человека и животных, поскольку их накопление в тканях организма влияет на метаболизм и может впоследствии приводить к заболеваниям нервной и кровеносной систем, а также желудочно-кишечного тракта. В дальнейшем химики планируют продолжить исследование и заняться созданием экспресс-теста для определения ионов тяжелых металлов в питьевой воде, а также в сточных водах.

Исследование, поддержанное Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 20–33–70025 «Влияние растворителя на динамику роста и строение металлорганических каркасных структур»), проводилось на базе кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ с использованием оборудования ресурсных центров Научного парка СПбГУ, а также в научно-техническом Университете «Сириус».