Российские ученые, представляющие ведущие научно-образовательные центры страны — МФТИ, МГУ, Объединённый институт ядерных исследований, НИЯУ МИФИ — совершили рывок в области материаловедения для спектроскопических исследований. В результате совместной работы были созданы инновационные материалы, которые могут полноценно заменить традиционные благородные металлы — золото и серебро — в производстве расходных компонентов для SERS-спектроскопов. Теперь на смену дорогостоящим металлам приходят наноструктуры, построенные на основе переходных металлов и углерода.
Перспективные материалы для новой эпохи спектроскопии
Спектроскопическая техника, прежде всего рамановская (SERS — surface-enhanced Raman spectroscopy), в течение многих лет зависела от применения дорогостоящих металлических наноструктур. Золото и серебро из-за своей уникальной способности усиливать сигнал изучаемых молекул считались незаменимыми. Однако высокая цена, ограниченность природных ресурсов и недостаточная химическая устойчивость ограничивали массовое внедрение таких приборов.
Российские научные коллективы предприняли решение использовать двухмерные композитные материалы нового типа — максены, которые состоят из атомов переходных металлов, углерода, а также могут содержать добавки азота, фтора или кислорода. Создание этих наноструктур расширяет спектр возможностей для спектроскопии. По функциональным характеристикам максены близки к благородным металлам и в ряде случаев превосходят их, совмещая высокую эффективность с доступностью и долговечностью.
Преимущества и испытания новых SERS-материалов
Стандартные подложки для SERS-спектроскопии из золота и серебра требуют сложных технологических процессов, быстро теряют эффективность из-за окисления и стоят очень дорого. Максены, напротив, легко синтезируются, стабильны к воздействию внешней среды и значительно дешевле. Это гарантирует отечественным лабораториям независимость от импорта, снижение издержек и расширение распространения технологии.
Исследовательская команда разработала специальную технологию получения так называемых "SERS-чернил" путем лазерной абляции максенов. Дальнейшее осаждение чернил на поверхности реализуется гибкими методами высокоточной печати, что открывает путь к созданию дешевых, эффективных и масштабируемых сенсоров для анализа малых количеств веществ.
По словам ведущего научного сотрудника МФТИ Ильи Завидовского, комплекс испытаний подтвердил высокую активность и стабильность созданных материалов. Использование максенов позволило увеличить чувствительность сенсоров примерно в 10 раз по сравнению с предыдущими аналогами.
Технологические нюансы и неожиданные открытия
В ходе тестирования выяснилось, что некоторые коммерчески доступные максены содержат микроскопические примеси алюминия. Эти небольшие включения благоприятно повлияли на свойства материалов: сигналы усилились, а стабильность работы сенсоров увеличилась. Этот эффект может стать основой для будущих теоретических и практических разработок, направленных на оптимизацию состава и структуры новых спектроскопических подложек.
Благодаря новым материалам Россия значительно усиливает возможности в направлении разработки и внедрения конкурентоспособного технологического оборудования для научных лабораторий и промышленности.
Импортозамещение и развитие отечественного приборостроения
Текущая стратегия импортозамещения особо актуальна для российских исследователей. В результате международных ограничений поставки наукоемких приборов, в том числе рамановских спектрометров для фармацевтики, биомедицины, криминалистики и других интенсивно развивающихся отраслей, были осложнены.
В начале 2024 года в МФТИ представили опытный образец полностью российского спектрометра на отечественных комплектующих и программном обеспечении. По информации разработчиков, изделие получилось более доступным по цене — примерно вполовину дешевле зарубежных аналогов при аналогичном функционале. Кроме того, у прибора улучшен спектральный охват, что позволяет идентифицировать большее число соединений, а модульная конструкция дает возможность создавать устройства для различных сфер применения, начиная с безопасности транспорта и заканчивая диагностикой продуктов питания.
Новые приборы и перспективные исследования
Серьезным шагом к технологической независимости стала совместная работа МФТИ и Сколтеха по созданию компактных и доступных масс-спектрометров. Инновационный российский прибор отличается ощутимо меньшими размерами и стоимостью при сохранении мирового уровня аналитической точности. По прогнозам участников проекта, уже в 2027 году аппарат сможет поступить в промышленное производство.
Масс-спектрометры находят широкое применение: они незаменимы при определении массы и структуры различных молекул, применяются при разработке лекарств, анализе окружающей среды, контроле качества продуктов и клинической диагностике. На отечественном рынке появится возможность полностью уйти от зависимости от импортных решений и удовлетворить возрастающий спрос со стороны биотехнологий и медицины.
Вклад в науку и перспективы развития
Закрепление таких достижений, как создание новых наноматериалов для спектроскопии, расширяет горизонты российской науки и придает новый импульс развитию отрасли высоких технологий. Ожидается, что благодаря усилиям специалистов МФТИ, Объединенного института ядерных исследований, МГУ, НИЯУ МИФИ и Сколтеха, новые материалы найдут широкое применение не только в лабораторных исследованиях, но и в промышленной аналитике, обеспечении безопасности, медицине и фармацевтике.
Инновационные решения, рожденные в ведущих научных школах России, становятся основой для создания доступных и надежных приборов. Благодаря этому отечественная наука получает новые инструменты для проведения фундаментальных и прикладных исследований, а отечественная промышленность — возможность внедрять передовые технологии мирового уровня.
Сегодня российские ученые уверенно смотрят в будущее: их разработки открывают путь к новым методам аналитики и диагностике, способствуют повышению технологического суверенитета и делают современные научные инструменты доступными широкой аудитории профессионалов.
