Блог компании ua-hosting.company. 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.

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 уже 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 прямым 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 предыдущих 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.