Яблоко с сюрпризом: наноразмерный датчик пестицидов

С наступлением лета приходит сезон свежих ягод, фруктов и овощей. Яркие и сочные они привлекают внимание потенциальных покупателей после длительного зимнего авитаминоза. Но, как любят говорить наши мамы и бабушки, нельзя покупать их сразу, как только они появляются на прилавке, так как в них полно пестицидов и другой гадости, которую фермеры используют для борьбы с паразитами и для ускорения созревания. Некоторые химические соединения, неминуемо используемые в сельском хозяйстве, вполне приемлемы. Но есть и такие, которые могут нести вред здоровью человека. Выявить наличие/отсутствие пестицидов на фруктах или овощах помогают различного рода датчики, купить которые может любой желающий. Но, как и в компьютерных технологиях, тут также происходит постоянный прогресс. Ученые из Каролинского института (Швеция) разработали нано-датчик, способный выявить пестициды за считанные минуты. Каков принцип работы нано-датчика и насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Современное сельское хозяйство не обходится без применения тех или иных химических соединений, помогающим избавиться от паразитов, повысить сопротивляемость к переменным погодным условиям, ускорить рост и созревание и т. д. Кто-то скажет, что это нужно полностью запретить и выращивать, используя методы наших предков. Проблема в том, что нас, в отличие от предков, намного больше. Учитывая необходимость в больших объемах урожая, транспортировку на большие расстояния, длительное хранение и, конечно же, желание получить прибыль, фермеры не могут не использовать химию, как инструмент постижения вышеперечисленных целей. Если выращивать фрукты и овощи с минимальным вмешательством в процесс, повышаются риски недополучить часть урожая ввиду активности паразитов, развитию заболеваний у растений и непредсказуемости погоды.

Чистые органические продукты, которые встречаются на полках магазинов, либо таковыми не являются, либо украшены внушительным ценником, так как производитель учитывает вышеописанные риски и перекладывает их на потребителя. Не говоря у же о том, что такое «чистое» производство зачастую значительно меньше в объемах.

Возвращаясь к пестицидам, стоит отметить, что есть как допустимые, так и недопустимые пестициды. Большая их часть (хотелось бы верить) все же не так вредны для человека, как о том говорят. Их основная задача — борьба с паразитами, сорняками или патогенами заболеваний. Достигается это либо прямых уничтожением, либо подавлением развития, либо стерилизацией (подавление размножения).

Как отмечают авторы исследования, одним из самых эффективных методов выявления пестицидов является SERS (surface-enhanced raman scattering), т. е. поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия. Тем не менее использование датчиков SERS в практических приложениях затруднено высокой стоимостью изготовления с ограниченной масштабируемостью, плохой воспроизводимостью от партии к партии, недостаточной стабильностью подложки и однородностью.

Среди множества исследований SERS большинство из них основано на плазмонных наночастицах серебра (Ag) или золота (Au). Хотя Ag демонстрирует меньшие плазмонные потери, чем Au, использование наночастиц Ag ограничено из-за их нестабильности в агрессивных средах, их окисления кислородом в атмосферных условиях и их потенциальной токсичности, вызванной высвобождением ионов Ag при окислительном растворении их собственного оксидного слоя.

Для преодоления этих ограничений часто используются специальные покрывающие слои для защиты наночастиц Ag от процессов деградации, а также для придания их поверхности определенных химических, биологических и оптических функциональных свойств.

К примеру, плазмонные наноагрегаты Ag-SiO₂ со структурой ядро-оболочка были получены с помощью пиролиза с пламенным распылением (FSP от flame spray pyrolysis) — универсального, масштабируемого и воспроизводимого процесса нанопроизводства. Полученные наночастицы были непосредственно нанесены на стеклянные подложки с регулируемой температурой посредством термофореза для изготовления сенсорных пленок SERS.

Контролируя толщину оболочки аморфного SiO₂, можно точно настроить формирование горячих точек и расстояние между отдельными наночастицами Ag в одном и том же наноагрегате, что, в свою очередь, напрямую влияет на плазмонное взаимодействие наночастиц и мультимодальное затухание.

Ученые отмечают, что распыляемое пламя дает хорошо воспроизводимые наночастицы и осажденные пленки, но его потенциал в производстве SERS детекторов пока не был полноценно исследован. В предающих трудах ученые использовали FSP для приготовления ультратонких наночастиц Ag, покрытых SiO₂, что привело к EF ≈10⁵ (усиление сигнала) и пределу обнаружения (LOD от limit of detection) 10^-10 м для R6G. В другом исследовании пленки SERS были изготовлены методом прямого газофазного осаждения наноостровков Au с регулируемым размером частиц и высокой плотностью горячих точек, что привело к высокому EF = 10⁶–10⁸ для R6G. Несмотря на эти два многообещающих результата, посвященных молекулам R6G, практическое и воспроизводимое применение поверхностей SERS, осажденных пламенным аэрозолем, еще не было продемонстрировано.

Чтобы восполнить этот пробел, авторы рассматриваемого нами труда сначала связали характеристики осажденных пламенным аэрозолем пленок наноагрегата Ag-SiO₂ с их горячими точками, генерируемыми управляемой плазмонной связью и мультимодальными профилями экстинкции (поглощение света химическим веществом). Затем ученые исследовали долговременную стабильность и воспроизводимость разработанных SERS-чувствительных NP-пленок (NP от nanoparticles, т. е. наночастицы) в отношении их практического применения для обнаружения остатков пестицидов на поверхности фруктов.

Результаты исследования

Изображение №1

Для быстрого изготовления SERS пленок в один этап использовался метод осаждения пламенным аэрозолем (1a). Раствор, содержащий прекурсоры* Ag и Si, подавался в трубку и затем распылялся чистым кислородом на мелкие капли. Эти мелкие капли воспламенялись, образуя распыляемое пламя, в котором наночастицы образовывались в результате испарения и сгорания капель, зародышеобразования частиц, роста за счет коалесценции и спекания, агрегации и агломерации.

Прекурсор* — вещество, участвующее в реакции, приводящей к образованию целевого вещества.

Новообразованные наночастицы наносили непосредственно на стеклянную подложку с регулируемой температурой посредством термофореза. Во время пламенного синтеза наночастиц размер частиц можно было контролировать, регулируя концентрацию прекурсора, скорость подачи жидкого прекурсора и скорость дисперсионного кислорода. Толщину пленки можно было регулировать, контролируя время осаждения, а также расстояние между пламенем и подложкой.

Три группы пленок SERS были изготовлены путем осаждения наночастиц Ag-SiO₂ с использованием растворов прекурсоров с концентрацией Ag 0.01 м, 0.1 м и 0.4 м при времени осаждения t_d = 10–60 с (1b).

Осаждение пламенным аэрозолем представляет собой быстрый (несколько секунд) процесс, который позволяет изготавливать однородную пленку на больших площадях. Это свойство является значительным преимуществом по сравнению с другими методами (к примеру, литография), которые являются более затратными.

Характерный желтый цвет плазмонного Ag на пленках SERS появляется на 1b при малом времени осаждения, а затем постепенно становится темнее с увеличением времени осаждения из-за более толстых пленок частиц. Кроме того, увеличение концентрации Ag в растворе прекурсора увеличивает размер первичных частиц Ag (1c). Более высокая концентрация предшественника Ag приводит к большему количеству зародышевых частиц в пламени и к более высокой скорости коагуляции с повышенной скоростью спекания первичных частиц.

Характерные фрактальные морфологии плазмонных наноагрегатов Ag-SiO₂ были видны и на снимках ПЭМ (1c), и на снимках ПРЭМ (верхнее левое изображение на 1d). Эти снимки подтверждают формирование морфологии ядро-оболочка Ag-SiO₂ (номинальное содержание SiO₂ 5 масс.%) наноагрегатов, в которых отдельные сферические частицы Ag разделены слоем аморфного SiO₂.

Кристалличность наночастиц Ag можно увидеть с помощью ПРЭМ в BF (от bright field, т. е. светлое поле) (вторая и третья панели на 1d) и с помощью электронной дифракции на выбранных участках (четвертая панель на 1d).

Формирование морфологии ядро-оболочка было дополнительно исследовано и подтверждено методом элементного картирования (второй ряд на 1d). На этих картах видно, что одни и те же кристаллические наночастицы Ag окружены аморфной оболочкой из Si и O. При этом толщина SiO₂ оболочки составляет 1-4 нм.


Изображение №2

Изготовленные пленки наночастиц однородны в большом масштабе (2а) с высокой пористостью (97%). Толщина пленки увеличивалась с увеличением времени осаждения независимо от молярности прекурсора или содержания SiO₂ (2b). Элементный состав линии на снимке поперечного сечения пленки SERS, полученном с помощью сканирующей электронной микроскопии (2c), показал вариации атомных процентов кислорода, углерода, кремния, натрия, калия и серебра. Это указывает на присутствие пленки наночастиц на стеклянной подложке.

Далее была проведена конфокальная рамановская микроскопия трех вариантов SERS пленок (1b). Чтобы изучить пригодность этих пленок, на них нанесли 10^–4 м R6G в этаноле методом центрифугирования, а затем тестировали с помощью лазера с длиной волны 532 нм.


Изображение №3

Было выбрано 12 точек детектирования от границы к центру подложки с расстоянием между двумя последовательными точками 1 мм (3а). Спектры SERS со всех 12 точек обнаружения были аналогичны, и все они показали типичные полосы комбинационного рассеяния молекулы R6G (3b).

Среди всех протестированных пленок вариант, приготовленный с использованием 0.1 м раствора прекурсора Ag и временем осаждения t_d = 40 с, показал самый высокий S_R (sensor response / сенсорный ответ; 3d). Поэтому этот субстрат SERS был выбран для дальнейших экспериментов по изучению воспроизводимости, LOD и EF.

При растворении молекул R6G в этаноле при возрастающих концентрациях (в диапазоне от 10^-9 до 10^-4 м) и измерении их спектров SERS (3e) типичные полосы комбинационного рассеяния R6G наблюдались вплоть до 10^-9 м, что указывает на LOD 10^-8 м для этого аналита. При логарифмическом построении S_R как функции молярной концентрации R6G была видна линейная зависимость (3f), показывающая расчетные LOD и LOQ (предел количественного определения) 0.86·10^-8 и 2.88·10^-8 м соответственно.

По этим спектрам был рассчитан EF, составивший 10⁶–10⁸ с использованием R6G в качестве аналита. Производительность SERS и значения EF напрямую зависят от адсорбции анализируемого вещества на поверхности подложки. Более низкий LOD и более высокий EF получаются для подложек, погруженных в раствор R6G на более длительное время, что увеличивает фактическую поверхностную концентрацию молекул. Например, LOD пористых Ag субстратов SERS увеличивается с 10^-8 до 10^-13 м, когда время адсорбции R6G увеличивается с нескольких минут до 8 часов. Тем не менее используемого во время тестов времени адсорбции (2.5 минуты) было достаточно, чтобы получить достаточно высокие показатели SERS и EF.


Изображение №4

Далее, чтобы лучше понять фундаментальные свойства, определяющие характеристики SERS, были произведены пленки Ag-SiO₂ с различным содержанием SiO₂ (от 5 до 9 масс.%).

На 4а представлены спектры экстинкции осажденных пленок Ag–SiO₂ (t_d = 40 с) при различном содержании SiO₂, в которых одномодовый плазмонный пик наносфер Ag проявляется при ≈ 390 нм, как и полосы экстинкции их связывания, которые в значительной степени распространяется в ближний ИК-диапазон для всех содержаний SiO₂ (максимальные длины волн экстинкции связи 𝜆_max показаны пунктирными линиями).

При построении графика экстинкции плазмонного взаимодействия 𝜆_max в зависимости от содержания SiO₂ (4b) значения 𝜆_max монотонно уменьшаются с увеличением содержания SiO₂. На графике 4c показан отклик SERS датчика R6G для различных времен осаждения t_d = 20–60 с в зависимости от содержания SiO₂. Интересно, что для всех времен осаждения максимальное значение S_R достигается для пленок с одинаковым содержанием SiO₂ (6 масс.%), что хорошо согласуется с аналогичным образом изготовленными наночастицами Ag/SiO₂.

После осаждения молекул R6G экстинкция связи (𝜆_max) увеличивается из-за повышенного показателя преломления окружающей среды. В плазмонных структурах сигнал SERS является самым сильным, когда экстинкция плазмонного взаимодействия 𝜆_max близка к длине волны возбуждения и/или попадает в окно между длиной волны возбуждения и длиной волны с комбинационным смещением (4d).

Чтобы дополнительно подтвердить экстинкцию плазмонного взаимодействия изготовленных сенсорных пленок SERS для различного содержания SiO₂ и, следовательно, расстояний между частицами Ag в одних и тех же наноагрегатах, ученые выполнили моделирование спектров экстинкции аналогичных фракталоподобных наноагрегатов Ag (4e), в которых небольшие изменения расстояния между частицами в несколько нанометров было достаточно, чтобы сдвинуть плазмонную полосу связи на несколько нанометров. Это моделирование позволило провести прямое сравнение экстинкции связи 𝜆_max между смоделированным расстоянием между частицами и экспериментальным номинальным содержанием SiO₂ (4f). В результате было установлено, что оптимальное расстояние между наночастицами Ag, приводящее к значительному образованию горячих точек, составляет от 1 до 1.5 нм.


Изображение №5

Чтобы оценить стабильность и срок службы изготовленных сенсорных пленок SERS, ученые провели оценку их характеристик с течением времени. На изображении выше показаны подборки из четырех спектров для каждого времени осаждения сразу после их изготовления (5a) и спустя 83 дня (5b). После усреднения S_R этих спектров и их построения в зависимости от времени осаждения (5c) наблюдается хорошее совпадение (разница от 3.2% до 9.6%) между новыми и состаренными пленками SERS. Такая высокая стабильность пленок Ag–SiO₂ объясняется наличием наноразмерного покрытия из аморфного SiO₂, которое защищает сердцевину наночастиц Ag от окисления и износа.

Дополнительно была проверена воспроизводимость плеток SERS, т. е. возможность получать идентичные по характеристикам пленки от партии к парии. Для этого было изготовлено три отдельных образца. Их спектры SERS в значительной степени перекрываются (5d), в то время как их среднее значение S_R полностью совпадает (5e), что подчеркивает высокий потенциал воспроизводимости сенсорных пленок SERS.


Изображение №6

Чтобы проверить возможность практического применения разработанных сенсорных пленок SERS, были проведены тесты на обнаружение пестицида паратион-этила. Было установлено, что данный пестицид может быть успешно обнаружен (6а), если его раствор нанести на пленку SERS (концентрация прекурсора Ag 0.4 мкМ, SiO₂ = 6 масс.% и t_d = 40 с). Полученные спектры SERS для возрастающих концентраций паратиона-этила (0.01–100 частей на миллион) показаны на 6b.

Наибольшая интенсивность достигалась при 853 см^-1. Расчеты интенсивности в зависимости от концентрации пестицида показали, что для 0.1 частей на миллион LOD составит 0.04, а LOQ — 0.15 частей на миллион (6c).

Для проверки концепции на поверхность (≈ 1 см²) предварительно очищенного яблока была помещена определенная концентрация (2 мл, т. е. 100 частей на миллион) паратион-этила (6а). Затем остатки пестицидов собирали ватным тампоном, который затем погружали и обрабатывали ультразвуком в растворе этанола (100 мл) для растворения молекул пестицида. Полученный раствор наносили на 10 случайных точек на поверхность SERS пленки (6d). На 6e показан средний спектр SERS этого метода, который четко показывает характерный пик паратион-этила, подтверждающий его присутствие на поверхности яблока. Таким образом, изготовленные сенсорные пленки SERS могут быстро обнаруживать остатки пестицидов на поверхности фруктов.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о создании наноразмерного датчика, способного за несколько минут определить наличие пестицидов.

Одной из основных особенностей данного изобретения заключается в методике их изготовления, основанной на пламенном распылении, позволяющем напылять на поверхность пленки наночастицы серебра. Данный метод позволяет производить такие сенсорные пленки быстро и в больших масштабах. Дальнейшая настройка расстояния между наночастицами позволила повысить их чувствительность, которая сохранялась на одном уровне в течение 83 дней.

В качестве проверки ученые использовали яблоко, покрытое пестицидом паратион-этилом, который считается опасным, а потому в многих странах запрещен. Взяв мазок с поверхности яблока, ученые дополнительно растворили образец для достижения меньшей концентрации пестицида, что позволило проверить степень чувствительности сенсорной пленки. Результат был ожидаемо положительным.

Несмотря на хорошие результаты исследования, его авторы намерены продолжить свою работу, так как их разработка требует совершенствования. В будущем она может стать основой для устройств быстрого обнаружения не только пестицидов на продуктах питания, но и биомаркеров определенных заболеваний в местах оказания медицинской помощи.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?