Индикаторная система на основе наночастиц диоксида церия

Актуальность

В связи с пандемией COVID-19 Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) были рекомендованы антисептики с содержанием перекиси водорода. Перекись водорода является хорошим антисептиком. Ее действие основано на окислительной способности, благодаря которой разрушаются клеточные мембраны бактерий и вирусов, в том числе и COVID-19.

Содержат ли перекись водорода наши повседневные антисептики? Чтобы ответить на этот вопрос, нужен индикатор.

Таким индикатором могли бы стать фильтровальные бумажки, пропитанные раствором наночастиц диоксида церия. В работах учёных описана способность нетоксичных наночастиц диоксида церия формировать характерно окрашенные пероксидные соединения типа Ce(OOH)₄ с перекисью водорода. Это является одной из качественных реакций на церий.

Цель

Создание индикаторной системы на основе наночастиц диоксида церия.

Задачи

1. Получить коллоидный раствор наночастиц диоксида церия.
2. Пропитать фильтровальную бумагу.
3. Создать индикаторную шкалу.
4. Исследовать на содержание перекиси водорода бытовые антисептики и сравнить их с изготовленным антисептиком по рецепту ВОЗ.
5. Исследовать на содержание перекиси водорода отбеливающие зубные пасты.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Мензурки
• Фильтровальная бумага
• Перчатки
• Маска
• Лабораторное оборудование
• 3D-принтер
• Зелёный лазер

Описание

Автор взял 5 мл кристаллогидрата сульфата церия, растворил в 10 мл дистиллированной воды, затем постепенно – по пол-миллилитра – добавлял 10 % водный раствор аммиака. При добавлении водного раствора аммиака общим объемом до двух миллилитров раствор в пробирке приобрёл белёсый цвет.

Луч лазера, пропущенный сквозь раствор с наночастицами, обнаружил эффект Тиндаля. Полученный раствор гидроксида церия автор наносил на фильтровальную бумагу и подсушивал. Он повторял нанесение раствора несколько раз, чтобы бумага пропиталась по всей толщине.

Для создания шкалы на индикаторную бумагу автор нанес перекись водорода в разных концентрациях (0,5 %; 1,5 %; 2,5 %; 3 %; 5 %). При работе с 5 % перекисью работа проводилась осторожно, чтобы не получить химический ожог рук. В результате была получена шкала. Она представляла собой окрашенные перекисные соединения церия от Ce(O-OH)(OH)₃ до Ce(O-OH)₄, количество которых варьировалось в зависимости от степени концентрации перекиси водорода.

Проверка показала, что индикаторная бумага не реагирует на воду и этиловый спирт, что является важным, так как спирт лежит в основе большей части антисептиков.

В качестве модельной системы автор создал антисептик по рецепту ВОЗ, в составе которого содержались: спирт 57 мл, перекись водорода 3 мл, глицерин 1 мл. Для антисептика была выполнена 3D-модель из пластика. Дополнительный опыт, проведённый в течение двух месяцев, показал, что пластик не разрушается от смеси.

Далее автор исследовал на содержание перекиси водорода различные виды антисептиков. На индикаторную бумагу наносился с помощью пипетки антисептик, и анализировалась окраска индикатора.

Также автор провёл исследования на содержание перекиси водорода в отечественных и зарубежных зубных отбеливающих пастах. На индикаторную полоску наносился тонкий слой зубной пасты по аналогии с антисептиками. Эта тема тоже достаточно актуальна, так как некоторые предприятия по выпуску зубных паст планируют добавлять перекись водорода для отбеливания эмали зуба.

Результаты работы/выводы

1. Создана индикаторная система – тест-полоски и шкала на содержание перекиси водорода в аналитах. При добавлении перекиси водорода происходит образование окрашенных наночастиц на основе диоксида церия, содержащих пероксидные группы и Ce(IV), что позволяет полуколичественно определять различные концентрации перекиси водорода в практически важном диапазоне 0,5 – 5 масс. %.

2. Исследованы различные виды антисептиков. Исследование показало, что антисептики, рекомендованные Роспотребнадзором, и импортные аналоги содержат в своём составе перекись водорода, а обычные бытовые — нет.

3. Антисептик, созданный по рецепту ВОЗ, подтвердил наличие 3 % перекиси водорода.

4. Исследование показало, что импортные отбеливающие зубные средства содержат перекись водорода (указана в составе средств).

Таким образом, с использованием полученной индикаторной системы можно полуколичественно определять концентрацию перекиси водорода, в том числе, в антисептиках, содержащих воду и спирт. Реакция окрашивания перекисью является специфической для соединений церия и достаточно чувствительной, чтобы определять разбавленные растворы перекиси водорода.

Перспективы использования результатов работы

В перспективе планируется исследовать, возможно ли применять данные тест-полоски на присутствие и содержание аскорбиновой кислоты, танина и других веществ.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Факультет наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова

Награды/достижения

XV Всероссийская олимпиада «Нанотехнологии — прорыв в будущее!» (2021 г.), конкурс проектных работ «Гениальные мысли» — победитель.

35-й Международный конкурс научно-исследовательских работ (31.03.2021) – лауреат I степени в номинации «Научные статьи».

Мнение автора

«Мой проект полностью академический и хорош тем, что, несмотря на всю свою сложность и информационную насыщенность, он понятен и весьма актуален в нынешнее время. Я вложила большую часть себя в эту работу и думаю, что еще не раз обращусь к полученной в процессе ее создания информации для проведения других исследований. Конференция «Наука для жизни» уже второй год подряд радует меня своим существованием и возможностью участия в ней. Дружелюбное жюри с интересом слушает каждого докладчика и задает интересные, но не придирчивые вопросы, что вдвойне приятно. Я благодарна всем, кто помог мне одержать эту невероятную победу, и уверена, что еще не раз вернусь в этот конкурс! Спасибо!»