Исследователи из ИТМО и Национального медицинского исследовательского центра им. В. А. Алмазова разработали новый материал на основе металл-органического каркаса ― его можно использовать для создания быстродействующих и долговечных сенсоров для детекции воды и токсичных молекул. Структура способна мгновенно определять изменения влажности, а также обнаруживать опасное соединение диметилформамид, которое часто используется на производствах. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Horizons.

Разработанный металл-органический каркас в виде кристалла. Фото предоставлено учеными

Чтобы быстро находить токсичные вещества и своевременно отслеживать изменения влажности, на производствах обычно используют цветоизменяющие датчики. В их основе ― так называемые сольватохромные материалы ― то есть такие, которые меняют свой цвет в зависимости от среды растворителя. Сейчас большинство сольватохромных датчиков создают на основе красителей и неорганических солей. Но у таких материалов есть недостатки: их нельзя многократно использовать, они токсичны для живых организмов (могут вызывать аллергию и при этом накапливаются в организме), а также реагируют на широкий спектр соединений и потому не всегда позволяют обнаружить конкретное вещество.

Одна из возможных альтернатив ― использование металл-органических каркасов (МОК). Это высокоупорядоченные гибридные структуры, состоящие из органических молекул и ионов металла. Их химический состав можно варьировать, придавая им особые физические и химические свойства.

До недавнего времени большинство сольватохромных МОК также были недолговечными: в лучшем случае их хватало на десятки циклов смены цвета, после чего структура распадалась. Кроме того, они медленно меняли цвет при взаимодействии с растворителем (от нескольких дней до одной минуты), а исследований, которые бы доказывали их биосовместимость, не было.

Ученым ИТМО удалось разработать высокоустойчивый и биосовместимый сольватохромный MOК на основе ионов кобальта и тримезиновой кислоты, который быстро и избирательно обнаруживает воду и токсичные соединения. В отличие от других материалов, каркас обладает селективностью ― в экспериментах с линейкой растворителей он прореагировал только на два вещества: при взаимодействии с водой становился розовым, а при взаимодействии с токсичным диметилформамидом — фиолетовым.

Структура практически мгновенно (за 0,1 секунды) реагирует на воду и диметилформамид — это в 600 раз быстрее, чем существующие МОК. Каркас устойчивый и долговечный: он сохраняет стабильную структуру при температуре до 300 °C, а также выдерживает более 50 циклов радикального изменения цвета. Достичь такого быстрого изменения цвета удалось за счет нагрева материала инфракрасным лазерным излучением.

Безопасность материала для живых организмов проверили ученые из Национального медицинского исследовательского центра им. В. А. Алмазова: в процессе эксперимента они вводили в органы рыб Danio rerio металл-органический каркас, выдерживали эмбрионы рыб в растворе на его основе, а после проверяли выживаемость животных и их поведение. Результаты испытаний показали, что средняя летальная дозировка для взрослых особей составила 6 мг/кг массы тела, что указывает на относительную безопасность вещества при пероральном введении. Кроме того, для эмбрионов была установлена средняя летальная концентрация в 0,81 мг/мл водной среды, что также свидетельствует о низком уровне токсического воздействия на ранних стадиях развития.

Высокая биосовместимость позволяет использовать разработанный в ИТМО каркас внутри эксикатора — сосуда для хранения чувствительных к воде химикатов и товаров.

На основе разработанного материала можно создать устройство для обнаружения молекул воды, которое в перспективе найдет свое применение на химических производствах, где выделение побочного продукта в виде воды критично, а также чтобы обнаруживать токсичные молекулы диметилформамида. Это опасное для человека соединение используется, например, в нефтяной промышленности, при производстве кожи, различных красителей. Оно бесцветно и почти не имеет запаха, поэтому детектировать его можно только с помощью специальных приборов. 

«Наше исследование — это шаг вперед в области химической сенсорики, так как мы впервые продемонстрировали самый быстрый, высокопрочный и биосовместимый сенсор на основе металл-органического каркаса. В будущем мы планируем и дальше исследовать область сольватохромных материалов, а также совместно с инженерной командой начать разработку прототипа устройства для применения уже на реальном производстве», — заключает первый автор статьи, младший научный сотрудник ИТМО Мария Тимофеева.

Елизавета Кокорина

Журналист