Тао (N.J. Tao) из Университета Аризоны разработал новый универсальный метод для обнаружения следовых количеств химических элементов, который может применяться в национальной безопасности, здравоохранении и мониторинге состояния окружающей среды.

Исследователи из группы Тао смогли обнаружить и идентифицировать крошечные частицы тринитротолуола (тротила, ТНТ), каждая из которых весит менее миллиардной доли грамма на гребнях или в каналах отпечатка пальца. Исследователь отмечает, что для обнаружения ТНТ были использованы высокая разрешающая способность оптической микроскопии наряду с чувствительностью и селективность электрохимических методов.

Работа Тао была посвящена применению разработанной в его лаборатории гибридной аналитической методики – электрохимической микроскопии (electrochemical imaging microscopy). Разработанная методика отличается рядом преимуществ по сравнению с существующими аналитическими методами, она более чувствительна, и чем оптическая микроскопия, и электрохимические методы, лежащие в ее основе. Новая методика неинвазивна по отношению к исследуемому объекту, она отличается высокой экспрессностью и позволяет построить детализированную карту исследуемой поверхности, точно определив положение химических соединений.

Хотя опубликованные Тао результаты демонстрируют возможности электрохимической микроскопии в обнаружении следов взрывчатых веществ, исследователь заявляет, что предложенная им методика может с успехом использоваться для обнаружения любых других соединений.

В группе Тао в настоящее время уже применяют электрохимическую микроскопию для изучения процессов, протекающих в живой клетке, как и для определения белковых биомаркеров, которые могут служить свидетельством того или иного заболевания на его ранней стадии. Новый подход позволяет увеличить скорость и удешевить обнаружение биомаркеров по сравнению с существующими подходами. Электрохимическая микроскопия также может быть использована для обнаружения ионов тяжелых металлов в питьевой воде.

Новая методика позволяет обойтись без микроэлектродов, Тао поясняет, что ключевая идея, лежавшая в основе метода, заключалась в конвертации оптического сигнала в электрохимический ток. Такой конвертации удалось добиться, использовав явление поверхностного плазмонного резонанса.

При протекании электрического тока по электроду из металлического проводника электроны перемещаются свободно, создавая волнообразные колебания, известные под названием «плазмон» (plasmon). Освещение поверхностных плазмонов светом приводит к поглощению энергии и переходу электрона в возбужденное состояние.

Тао отмечает, что плазмоны особенно чувствительны ко всем изменениям в приэлектродном пространстве. Например, плазмон может «почувствовать» протекание окислительно-восстановительной реакции, преобразовав перенос электронов в оптический сигнал, на основании которого можно охарактеризовать протекающую реакцию. Этот подход позволяет определять следовые количества химических веществ на площади в несколько квадратных микрон.

Новая методика тестировалась следующим образом – первоначально на поверхность электрода наносили отпечаток пальца. Гребни отпечатка блокируют протекание электрохимического тока, канавки отпечатка – способствует его протеканию, позволяя контрастировать пальпационную картину при наложении электрического потенциала.

На следующем этапе приложенный потенциал понижали до значения потенциала восстановления ТНТ, при этом на картине отпечатка пальца проявлялись пятна частиц взрывчатого вещества. Разработанная методика позволяет обнаружить микрозерна тротила, если они смешаны с другими веществами, включая частички пыли или жира.