Ученые МГУ создали уникальный наносенсор с нейросетью для проверки воды на тяжелые металлы
В основе технологии - углеродные наночастицы, которые светятся синим под ультрафиолетом, а нейросеть по спектру этого свечения распознает, какие именно ионы присутствуют в растворе и в каких концентрациях. Разработка может стать базой для компактных полевых анализаторов для контроля сточных вод и оценки состояния природных водоемов.
Источник: Кирилл Лаптинский / НИИЯФ МГУ имени М.В. Ломоносова. Образец раствора с наносенсором.
МОСКВА, 12 марта. /Новости науки/. Ученые Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова разработали наносенсор на основе нейросети и углеродных наночастиц («углеродных точек»), который способный быстро и одновременно определять в воде содержание семи распространенных ионов-загрязнителей, включая токсичные тяжелые металлы, сообщает пресс-служба РНФ.
"Мы доказали, что сочетание наночастиц, чувствительных к ионам-загрязнителям, и искусственного интеллекта позволяет решать сложные аналитические задачи. Благодаря высокой точности на основе нашей разработки можно создавать компактные и недорогие приборы для экологов и технологов, которые позволят быстро анализировать состав воды в полевых условиях и технологических водных средах на производствах. В дальнейшем мы планируем адаптировать нашу разработку к разным составам исследуемой среды, чтобы она могла определять те ионы, концентрации которых интересуют потенциального заказчика, без необходимости предварительного проведения специальной настройки», - приводятся в сообщении слова руководителя проекта, кандидата физико-математических наук, ведущего научного сотрудника кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Татьяны Доленко.
Как отмечают авторы работы, промышленная деятельность — химическая, металлургическая, текстильная и другие отрасли — приводит к попаданию в окружающую среду загрязнителей, в том числе тяжелых металлов.
Они могут переходить по пищевым цепям и вредить живым организмам, вызывая нарушения со стороны пищеварительной, дыхательной, нервной и других систем.
Поэтому контроль таких веществ в воде важен, но традиционные лабораторные методы требуют дорогого оборудования и сложной подготовки проб, что затрудняет экспресс-мониторинг на месте.
В качестве чувствительного элемента наносенсора ученые использовали углеродные точки — частицы примерно в 50 раз меньше бактерий. Их синтезировали гидротермальным методом из лимонной кислоты и этилендиамина: исходные вещества растворяли в воде и нагревали до 200°C при повышенном давлении.
Добавление этилендиамина обеспечивало присутствие азота в наночастицах, что усиливало их люминесценцию.
Принцип работы сенсора основан на том, что при облучении ультрафиолетом углеродные точки излучают синее свечение, а его интенсивность и «рисунок» спектра меняются в зависимости от того, какие ионы и в каком количестве находятся в растворе. Чтобы получить большой набор данных для обучения, исследователи приготовили 7 813 вариантов растворов с разными сочетаниями и концентрациями семи целевых ионов, добавили в них углеродные точки и зарегистрировали спектры свечения.
Далее ученые разработали нейросеть и обучили ее связывать форму спектра с химическим составом раствора. В результате алгоритм научился по спектрам определять концентрации всех семи ионов даже в сложных многокомпонентных смесях. По словам авторов, точность анализа соответствует требованиям, предъявляемым к приборам промышленного контроля ионов в сточных и технологических водах.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.
"Мы доказали, что сочетание наночастиц, чувствительных к ионам-загрязнителям, и искусственного интеллекта позволяет решать сложные аналитические задачи. Благодаря высокой точности на основе нашей разработки можно создавать компактные и недорогие приборы для экологов и технологов, которые позволят быстро анализировать состав воды в полевых условиях и технологических водных средах на производствах. В дальнейшем мы планируем адаптировать нашу разработку к разным составам исследуемой среды, чтобы она могла определять те ионы, концентрации которых интересуют потенциального заказчика, без необходимости предварительного проведения специальной настройки», - приводятся в сообщении слова руководителя проекта, кандидата физико-математических наук, ведущего научного сотрудника кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Татьяны Доленко.
Как отмечают авторы работы, промышленная деятельность — химическая, металлургическая, текстильная и другие отрасли — приводит к попаданию в окружающую среду загрязнителей, в том числе тяжелых металлов.
Они могут переходить по пищевым цепям и вредить живым организмам, вызывая нарушения со стороны пищеварительной, дыхательной, нервной и других систем.
Поэтому контроль таких веществ в воде важен, но традиционные лабораторные методы требуют дорогого оборудования и сложной подготовки проб, что затрудняет экспресс-мониторинг на месте.
В качестве чувствительного элемента наносенсора ученые использовали углеродные точки — частицы примерно в 50 раз меньше бактерий. Их синтезировали гидротермальным методом из лимонной кислоты и этилендиамина: исходные вещества растворяли в воде и нагревали до 200°C при повышенном давлении.
Добавление этилендиамина обеспечивало присутствие азота в наночастицах, что усиливало их люминесценцию.
Принцип работы сенсора основан на том, что при облучении ультрафиолетом углеродные точки излучают синее свечение, а его интенсивность и «рисунок» спектра меняются в зависимости от того, какие ионы и в каком количестве находятся в растворе. Чтобы получить большой набор данных для обучения, исследователи приготовили 7 813 вариантов растворов с разными сочетаниями и концентрациями семи целевых ионов, добавили в них углеродные точки и зарегистрировали спектры свечения.
Далее ученые разработали нейросеть и обучили ее связывать форму спектра с химическим составом раствора. В результате алгоритм научился по спектрам определять концентрации всех семи ионов даже в сложных многокомпонентных смесях. По словам авторов, точность анализа соответствует требованиям, предъявляемым к приборам промышленного контроля ионов в сточных и технологических водах.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.
