Инновационный сенсор найдет наркотики по нескольким молекулам
В МФТИ создали высокочувствительные SERS-сенсоры на основе двумерного материала MXene, который может заменить дорогие и нестабильные сенсоры из золота и серебра. SERS-сенсоры — это специальные поверхности или материалы, которые усиливают слабые сигналы молекул при анализе методом рамановской спектроскопии. С их помощью, например, можно обнаружить следы наркотиков, ядов, биомаркеров болезней даже в сверхмалых количествах.
Физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами создали SERS-сенсоры на основе трехкомпонентного MXene Mo2TiC2Tx и продемонстрировали их потенциал в поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS).
Статья опубликована в журнале «Перспективные материалы», ее переводная версия доступна в журнале Inorganic Materials: Applied Research. SERS — surface-enhanced Raman scattering, эффект гигантского комбинационного рассеяния — позволяет усиливать интенсивность колебательных спектров молекул, взаимодействующих с наноструктурированными подложками. Чаще всего такие подложки (SERS-сенсоры) изготавливают из наночастиц благородных металлов. SERS-сенсорика используется для детектирования сверхнизких концентраций молекул. Коммерчески доступные SERS-сенсоры на основе золота или серебра позволяют усиливать сигнал комбинационного рассеяния в 106–109 раз, тем самым позволяя идентифицировать вплоть до наномолярных концентраций различных веществ, таких как красители, биомаркеры или компоненты лекарств. В то же время чувствительность SERS-сенсоров на основе серебряных наночастиц значительно снижается в течение нескольких дней из-за окисления и сульфидирования наночастиц в окружающей среде, а высокая стоимость золотых сенсоров существенно ограничивает развитие их применений.
Перспективными альтернативными материалами для создания SERS-сенсоров являются двумерные материалы — MXene. Они представляют собой карбиды, нитриды и карбонитриды переходных металлов со слоями углерода или азота, расположенными между металлическими слоями. Эти материалы обладают богатой поверхностной химией, что позволяет лучше адсорбировать молекулы-аналиты, которые неэффективно взаимодействуют с благородными металлами.
MXene синтезируются из MAX-фаз — слоистых соединений, состоящих из переходных металлов М; элементов группы А — алюминия, кремния или галлия, и X — атомов азота или углерода. MXene получаются путем вытравливания алюминия, что приводит к образованию двумерного материала с общей формулой Mo2TiC2Tx, где Tx обозначает поверхностные функциональные группы, такие как –OH, –О или –F. Mo2TiC2Tx характеризуются высокой прочностью, биосовместимостью, эластичностью и гидрофильностью. Эти свойства делают MXene перспективными соединениями для SERS-сенсоров.
«В рамках проекта РНФ мы создаем «SERS-чернила» — концентрированные коллоидные растворы наноматериалов — на основе наночастиц слоистых материалов при помощи лазерной абляции. Далее мы осаждаем их на поверхности при помощи различных методов печати, создавая, в частности, сенсоры малых молекул. Чтобы понять, насколько хорошо может работать подобный сенсор, мы вначале протестировали SERS-активность и стабильность исходных порошков», — рассказал Илья Завидовский, старший научный сотрудник Центра Фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Исследователи изготовили SERS-сенсоры на основе коммерческого трехкомпонентного порошка Mo2TiC2Tx. Его SERS-активность тестировалась на детектировании родамина 6G с концентрациями от 10-2 до 10-8 М. Результаты показали, что изготовленные сенсоры имеют порог детектирования на уровне 10-8 М, что на порядок лучше, чем в предыдущих исследованиях, где предел обнаружения родамина составил 10-7 М. Столь низкий порог детектирования свидетельствует о присутствии не только химического механизма усиления, типичного для MXene, но и электромагнитного механизма, в большей степени присущего металлам. Различие чувствительности сенсора на основе Mo2TiC2Tx по сравнению с предыдущим исследованием говорит о том, что существенное влияние на SERS-активность MXene оказывают металлические кластеры, возникающие в результате неполного травления металла из MAX-фазы.
«При помощи энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии в режиме картирования мы увидели, что в коммерчески доступном MXene содержатся включения алюминия, образованного в результате его неполного вытравливания при синтезе. Мы предполагаем, что достижение порога детектирования 10-8 М для исследованных нами MXene связано с совокупностью химического усиления самого MXene и плазмонного усиления на алюминиевых частицах», — объяснила Надежда Белозерова, старший научный сотрудник Центра Фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Физики также изучили изменение чувствительности созданных сенсоров под влиянием окружающей среды. Для этого они осаждали раствор, содержащий молекулы аналита, через несколько дней после контакта материала сенсора с воздухом. Через месяц после нахождения в атмосфере порог детекции чувствительности сенсора ухудшился на три порядка до 10-5 М из-за окисления MXene и металлических включений. Это приводит к ухудшению адсорбционных свойств MXene и к уменьшению плотности свободных электронов на поверхности металлических включений, из-за чего подавляются оба механизма усиления сигнала.
«Ранее мы показывали, что серебряные наночастицы в SERS-сенсорах деградируют слабее, когда они обладают высокой степенью кристалличности. Отсюда можно предположить, что развитие методологии синтеза MXene позволит создавать более высококачественные материалы и ослабить эффект деградации», — добавил Сергей Новиков, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Трехкомпонентный порошок MXene Mo2TiC2Tx является перспективным материалом для создания чувствительных SERS-сенсоров, однако его синтез требует оптимизации.
«Наши дальнейшие работы связаны с двумя направлениями: первое — это реализация “чернил” на основе аблированных MXene и композитов на их основе в рамках проекта РНФ. Второе — более детальное исследование примесей в коммерчески доступных MXene. В рамках данной работы удалось понять, что заявляемая производителем чистота материала 99,999 % не всегда оказывается таковой в реальности, и даже небольшие включения могут существенно влиять на свойства материала и воспроизводимость эксперимента. Вследствие этого в настоящий момент мы разрабатываем экспресс-метод детектирования примесей алюминия в MXene», — поделился Алексей Большаков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
В работе участвовали ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Объединенного института ядерных исследований, МГУ, МИФИ и ООО «Графентек». Исследование выполнено при поддержке Российского Научного Фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Дистанционное зондирование из космоса выявило 280 гигантских каменных кругов, разбросанных по пустыне Атбай в Судане. Исследователи пришли к выводу, что это погребальные сооружения, оставленные исчезнувшей культурой скотоводов. Эти люди пасли здесь стада в четвертом-третьем тысячелетии до нашей эры, когда климат в пустыне был более влажным.
Авторы нового исследования выяснили, почему летающие насекомые так не любят чеснок: в нем содержится органическое вещество, подавляющее процесс спаривания и откладывания яиц. Причем мух и комаров отпугивает не запах, а вкус чеснока, поскольку это соединение особым образом воздействует на вкусовые рецепторы.
Одни из самых таинственных явлений во Вселенной — мощные голубые вспышки — появляются внезапно, сияют почти как целые галактики и исчезают за считаные дни. Теперь астрономы, похоже, впервые приблизились к разгадке их происхождения: такие события могут возникать при слиянии нейтронной звезды или черной дыры с массивной звездой Вольфа — Райе.
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Крупные травоядные утконосые майазавры известны своим развитым социальным поведением. Они жили семьями и строили гнезда для своих детенышей. Даже название вида переводится с греческого языка как «ящер — хорошая мать». Исследование окаменелых зубов майазавров показало, что они выращивали детенышей совсем не так, как это считалось типичным для животных глубокой древности.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
Термоядерные электростанции не смогут конкурировать по цене с возобновляемыми источниками энергии из-за медленного удешевления технологии. По расчетам, расходы на каждую новую установку падали максимум на 8% — много раз ниже ранних ожиданий венчурных инвесторов. Это перечеркивает экономический смысл финансовых вливаний, и мир может никогда не увидеть дешевой термоядерной энергии.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно