Создание функциональных материалов, высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратовНИР

Creation of functional materials, highly effective methods and means of chemical analysis for monitoring and predicting the state of the environment, transition to highly productive and environmentally friendly agri- and aquaculture, personalized medicine, health technologies, creating safe and high-quality food products, medicines

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Создание функциональных материалов, высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов
Результаты этапа: Для перехода к персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов актуальной является разработка сенсорных систем для выполнения простого и эффективного скрининга проб на содержание биологически активных веществ, а также методик определения содержания компонентов при их низких содержаниях. Для решения указанной задачи синтезированы новые функциональные композиты на основе наночастиц золота и серебра с пенополиуретаном. Синтез включал сорбционное модифицирование матрицы полимера наночастицами металлов из их коллоидных водных растворов. Данные нанокомпозиты охарактеризованы современными инструментальными методами анализа вещества, такими как сканирующая электронная микроскопия, спектроскопия диффузного отражения. Подтвержден факт наличия в их составе наночастиц соответствующих металлов, распределенных по поверхности полимера. Эти нанокомпозиты предложены в качестве оптических сенсорных систем для определения аминов. Уменьшение полосы поверхностного плазмонного резонанса нанокомпозита пропорционально концентрации амина в растворе. На основе этого эффекта разработан метод определения цетиламина, β-нафтиламина и неомицина в воде и медицинских составах. Пределы обнаружения аминов в выбранных условиях находятся в диапазоне 0,7–1,5 мкМ. Наблюдаемое изменение цвета образцов нанокомпозита также обеспечивает хорошую основу для полуколичественных определений. Разработаны подходы к концентрированию компонентов лекарственных препаратов с использованием сорбционных систем на основе сверхсшитого полистирола и их последующему определению различными методами. 5-Нитро-2-фуральдегид предложен в качестве нового дериватизирующего агента при определении четырех метаболитов нитрофуранов – 3-амино-2-оксазолидинона, 3-амино-5-метилморфолино-2-оксазолидинона, 1-аминогидантоина и семикарбазида в куриных яйцах методом ВЭЖХ с тандемным масс-спектрометрическим детектированием. Идентифицированы продукты реакции дериватизации. Показано, что ими являются исходные нитрофураны – фуразолидон, фуралтадон, нитрофурантоин и нитрофуразон соответственно. Пробоподготовка включает кислотный гидролиз и дериватизацию, удаление жиров экстракцией гексаном и дальнейшую очистку экстрактов на картриджах, заполненных сверхсшитым полистиролом Диапак П-3. Способ обеспечивает количественное выделение метаболитов (степени выделения составляют от 95 до 106%) и хорошую воспроизводимость (sr ≤ 0.13). Разработаны оптические наноаналитические системы на основе наночастиц серебра сферической и тригонально-призматической морфологии для определения аскорбиновой кислоты и флавоноидов. Принцип генерации аналитического сигнала в новых системах состоит в изменении резонансных оптических свойств наночастиц в результате формирования на их поверхности дополнительного слоя металла. Это приводит к изменению спектров поглощения и интенсивности окраски коллоидных растворов наночастиц. Наноаналитические системы охарактеризованы методами просвечивающей электронной микроскопии и электронной спектроскопии. Изучено влияние отдельных факторов на возникновение в них аналитического сигнала. Получены данные об особенностях измерения сигналов люминесценции с помощью мини-спектрофотометра – калибратора мониторов в качестве экономически эффективной альтернативы профессиональному люминесцентному спектрометру. Изучена возможность применения калибратора мониторов i1Pro2 для люминесцентного определения сульфаниламидов после их взаимодействия с флуорескамином и экстракционного концентрирования люминофора без отделения органической фазы. При взаимодействии флуорескамина с первичными аминами (в т.ч. с сульфаниламидами) образуются интенсивно люминесцирующие соединения (максимум возбуждения люминесценции – 395 нм, максимум люминесценции – 495 нм). Установлено, что при проведении взаимодействия в кювете с чёрными поглощающими стенками возможна прямая регистрация люминесценции с помощью калибратора мониторов. Экстракция ионных ассоциатов продукта люминесцентной реакции с додецилсульфатом натрия в несмешивающийся с водой растворитель позволяет провести концентрирование люминофора. Для органических растворителей с плотностью меньше плотности воды возможно определение сульфаниламидов в экстракте без предварительного разделения фаз, что недостижимо в случае традиционного флуориметра. Это существенно упрощает анализ и повышает его экспрессность. Показано, что при использовании в качестве растворителя амилацетата степень извлечения сульфаниламида составляет 80%, сульфаметазина – 90%, предел обнаружения снижается с 1,2 до 0,7 мкМ в случае сульфаниламида и с 1,5 до 0,6 мкМ в случае сульфаметазина. Для разработки эффективных и экологически благоприятных методов пробоподготовки и концентрирования актуальны новые экстракционные растворители, отличающиеся большей экологической дружественностью и безопасностью. Альтернативой традиционным несмешивающимся с водой органическим растворителям, обладающим высокой токсичностью, летучестью и пожароопасностью, являются комбинированные растворители, в частности, на основе органических ионных соединений. К ним относятся ионные жидкости, легкоплавкие комбинированные растворители (или эвтектические жидкости) и двухфазные водные системы (ДФВС). Составная природа комбинированных растворителей обеспечивает возможность целенаправленно менять свойства растворителя, варьируя состав и природу составляющих их компонентов. В отличие от молекулярных растворителей, комбинированные растворители способны сольватировать и экстрагировать полярные, высокогидрофильные соединения. Экстракционные системы, использующие комбинированные растворители (двухфазные водные системы, легкоплавкие смеси – «эвтектические жидкости») на основе органических ионных соединений исследованы для извлечения редкоземельных элементов (РЗЭ) из водных растворов и отделения их от других металлов. Установлены оптимальные условия получения двухфазных систем на основе бромидов замещенного аммония (тетрабутиламмония, тетрагексиламмония и др.), не требующие введения высаливателя, для эффективной безреагентной экстракции. Реализовано количественное отделение отдельных РЗЭ (например, неодима) от других металлов экстракцией в новые ДФВС с последующей реэкстракцией минеральными кислотами. Для новых экстракционных систем построены диаграммы растворимости, оценены границы области расслаивания и взаимная растворимость с водой, оптимизированы условия извлечения. Экстракционные системы с высоким содержанием воды в экстрагирующей фазе (гидрофильно-гидрофобные ионные жидкости, ДФВС на основе бромида тетрагексиламмония) применены для концентрирования синтетических пищевых азокрасителей (Азорубин, Желтый «солнечный закат», Зеленый Прочный, Красный Очаровательный и Тартразин). Установлены условия количественной экстракции, разработаны методики экстракционно-фотометрического определения красителей в некоторых пищевых продуктах и лекарственном препарате. Проведено сравнение экстрагирующей способности ряда ДФВС на основе галогенидов (хлориды, бромиды) тетраалкиламмония, не требующих введения высаливателя и образующихся в присутствии высаливателя, по отношению к некоторым нестероидным противовоспалительным препаратам (НПВП) (диклофенак, ибупрофен), предложены эффективные ДФВС для сочетания концентрирования НПВП с последующим селективным методом определения. Продолжено изучение ранее предложенного приема предварительной промывки колонки с графитированным углеродным сорбентом Hypercarb. Прием использован для разработки методики определения ряда карбоновых кислот: молочной, глюконовой, хинной, яблочной, винной, янтарной. В качестве подвижной фазы применяли 0.1% водный раствор муравьиной кислоты. Сравнивали 3 режима элюирования: изократический, линейный градиент и ступенчатый градиент (скачкообразное изменение концентрации муравьиной кислоты). Наилучшего разделения аналитов удалось добиться при помощи ступенчатого градиента муравьиной кислоты. Актуальность данного направления связана с дальнейшим совершенствованием использования графитированных углеродных сорбентов для разделения сложных смесей гидрофильных аналитов. Новизна полученных результатов заключается в систематическом сравнении различных градиентных и изократических режимов разделения для данных карбоновых кислот. Практическая значимость заключается в улучшении характеристик разделения сложных пар карбоновых кислот, что может быть использовано в контроле качества пищевых продуктов. Продолжены работы по изучению механизма удерживания гидрофильных аналитов на сорбенте Hypercarb. Использовали ранее разработанную установку, позволяющую проводить ВЭЖХ разделение при приложенном к сорбенту электрическом потенциале. Предложено проводить перезарядку сорбента с использованием трехэлектродной ячейки с остановкой потока, а дальнейшие хроматографические эксперименты проводить в двухэлектродной ячейке. Показано, что перезарядка поверхности сорбента обратима в диапазоне потенциалов от +1 до -1 В. Изучен дрейф потенциала поверхности сорбента после размыкания цепи, установлено, что в положительной области не происходит существенного изменения потенциала сорбента и времени удерживания аналита спустя 60–120 минут после отключения внешнего потенциала. Актуальность этого направления обусловлена необходимостью установления механизма удерживания гидрофильных и ионных аналитов на поверхности пористого графитированного углеродного сорбента. Новизна результатов состоит, прежде всего, в существенном упрощении конструкции электрохимической ячейки-колонки по сравнению с литературными аналогами. Практическая значимость развитого подхода заключается в возможности регулирования селективности разделения аналитов на неподвижной фазе за счет изменения ее потенциала, что существенно расширяет возможности классической ВЭЖХ. Продолжена разработка методик анализа археологических объектов с помощью микрорентгенофлуоресцентного спектрометра Bruker Tornado M4 Plus. Выбраны условия картирования образцов со сложной геометрией поверхности, показано, что при использовании рентгеновской трубки с коллиматорной оптикой возможно получение карт распределения элементов при перепадах рельефа поверхности образца до 25 мм. Актуальность этого направления связана с отсутствием универсальных подходов к получению рентгенофлуоресцентных спектров от образцов со сложной геометрией. Новизна результатов в области аналитической химии заключается в разработке способа получения микроРФА карт распределения элементов для рентгеновских трубок с коллиматорной оптикой. Практическая значимость результатов обусловлена возможностью существенного расширения круга анализируемых с помощью микроРФА образцов, в том числе объектов материаловедения, геологии, археологии, искусствоведения. Разработан способ группового концентрирования фенолов на новом сорбенте – магнитном гидрофобизированном кремнеземе (ХМК-С16/Fe3O4) для их дальнейшего определения методом ВЭЖХ-МС. Актуальность задачи обусловлена необходимостью расширения ассортимента магнитных нанокомпозитных материалов, которые могут применяться в роли высокоэффективных и удобных в использовании сорбентов для создания эффективных, чувствительных и вместе с тем простых и недорогих средств химического анализа. Оптимизированы условия хромато-масс-спектрометрического определения хлор- и нитрофенолов, а также сорбционного концентрирования изученных фенолов на (ХМК-С16/Fe3O4) в статическом режиме. Установлено, что модифицирование гидрофобизированного кремнезема не привело к изменению сорбционной способности исходного сорбента и даже несколько увеличила эффективность извлечения фенолов. Рассчитаны пределы обнаружения разработанного метода, значения которых ниже ПДК фенолов в природных водах. Метод применен для анализа воды пруда в Царицыно г. Москва. С целью разработки новых простых методик определения гидроксамовых кислот (ГК) с использованием золь-гель технологии были синтезированы неорганические материалы аналитического назначения – смешанные ксерогели на основе оксидов кремния и титана, ксерогели и гели на основе оксида кремния, допированные железом(III). Гели использовали в виде тонких оптически прозрачных пленок на дне лунок пластиковых микропланшетов. Актуальность исследования определяется широким применением ГК в качестве фармацевтических препаратов из-за их бактерицидной, фунгицидной и противовирусной активности. Длительное использование препаратов на основе ГК может сопровождаться острыми и хроническими побочными эффектами. Для проведения клинических испытаний новых препаратов и мониторинга за состоянием пациентов в процессе лечения необходимы простые и надежные способы определения ГК в биологических жидкостях. Синтезированные материалы для определения ГК изучаются впервые. В работе в качестве модельного вещества использована салицилгидроксамовая кислота (СГК), которая используется в качестве противовоспалительного средства при лечении урологических заболеваний. С помощью ИК-спектроскопии и твердофазной спектрофотометрии установлено образование комплексов СГК с титаном(IV) и железом(III), включенными в фазы новых материалов. Для кремний-титанового ксерогеля максимум поглощения комплексов с СГК находится в ультрафиолетовой области, при 350 нм, где наблюдается интенсивное поглощение света фазой диоксида титана, для ксерогелей и гелей на основе оксида кремния, допированных железом(III), наблюдается поглощение в видимой области, при 450 нм. Контрастное изменение окраски при использовании золь-гель материалов, допированных железом(III), определяет перспективность их применения для разработки методик определения СГК. Взаимодействие с ксерогелями на основе оксида кремния, допированными железом(III), изучено подробно: максимальные значения оптической плотности материалов наблюдаются при pH 2,5–3,5, образуются комплексы состава 1:1, равновесие достигается в течение 90 минут. На основе этих материалов разработана методика твердофазно-спектрофотометрического определения СГК в образцах мочи человека: диапазон определяемых содержаний составляет 4–230 мг/л, предел обнаружения 1,4 мг/л (n = 3). Методика характеризуется хорошей правильностью (97–120%) и воспроизводимостью (sr 0,04–0,09) и может быть рекомендована для проведения фармакокинетических исследований. Для исследования механизма действия нанозимов «искусственная пероксидаза» на основе берлинской лазури (БЛ) впервые был применен подход ферментативной кинетики. Установлено, что по сравнению с пероксидазами, которые на первой стадии каталитического цикла взаимодействуют с Н2О2, нанозимы на основе берлинской лазури сначала взаимодействуют с восстанавливающим субстратом с образованием фермент-субстратного комплекса, который затем окисляется пероксидом водорода. С использованием подходов интегральной кинетики зарегистрирована медленная стадия отщепления окисленного донора электронов. Определены константы скорости ключевых элементарных стадий каталитического цикла. Установлено, что скорость-лимитирующей стадией является необратимая бимолекулярная реакция взаимодействия комплекса нанозима и восстанавливающего субстрата с пероксидом водорода. Константа скорости этой стадии (k2) зависит от редокс-потенциала восстанавливающего субстрата. Для наиболее быстрых субстратов, пирогаллола и ферроцианида, k2 составляет (1.3±0.1)·10^8 М^-1·с^-1 и (1.9±0.1)·10^8 М^-1·с^-1, соответственно, и, таким образом, в 100 раз превосходит константу скорость-лимитирующей стадии для пероксидаз. Тогда как для ферментов пероксидаз наиболее быстрой является стадия их взаимодействия с пероксидом водорода, наиболее высокая бимолекулярная константа для нанозимов соответствует стадии их взаимодействия с восстанавливающим субстратом. Для ТМБ ее нижняя граница, оцениваемая как kкат(набл)/КМ(набл), составляет (3.0±0.5)·10^9 М^-1·с^-1, что также на два порядка выше, чем для пероксидаз. Таким образом, выявлено новое преимущество нанозимов по сравнению с ферментами: повышенные на два порядка бимолекулярные константы скорости, - что может быть связано с отсутствием влияния ориентации на диффузионно-контролируемые процессы. Разработаны супер-стабильные нанозимы «ядро-оболочка» на основе каталитически активного ядра берлинской лазури, покрытого гексацианоферратом никеля (NiГЦФ). Нанозимы БЛ-NiГЦФ значительно превосходят по активности фермент пероксидазу. Так, для нанозимов диаметром 66 нм кажущиеся каталитические константы скорости для пирогаллола и ферроцианида превышают kкат пероксидазы в 25 и 35 раз, соответственно. После полугодового хранения в водной суспензии при комнатной температуре нанозимы БЛ-NiГЦФ сохраняют как свой размер, так и физико-химические свойства: каталитические, электрохимические. В связи с перспективами применения нанозимов «искусственная пероксидаза» в противовоспалительных лекарствах исследовалась их стабильность при физиологических рН. Константа инактивации для нанозимов ядро-оболочка БЛ-NiГЦФ с размером около 100 нм в 16 раз меньше, чем для нанозимов на основе БЛ. При этом стабилизация нанозимов приводит не более чем к двукратному понижению каталитической активности. Для пероксидных сенсоров на основе иммобилизованных нанозимов «ядро-оболочка» калибровочный график практически совпадал с таковым для нестабилизированной БЛ. При этом в ходе непрерывного мониторирования 1 мМ Н2О2 сенсор на основе нанозимов БЛ-NiГЦФ сохраняет более 75% от первоначальной величины отклика в течение почти получаса, тогда как сенсор на основе наночастиц БЛ в аналогичных условиях сохраняет лишь 7.5% отклика. Таким образом, нанозимы ядро-оболочка БЛ-NiГЦФ призваны открыть новые горизонты при разработке как противовоспалительных лекарств, так и биосенсоров. Доставка лекарственных веществ в организм хорошо разработана для гидрофобных лекарственных веществ, которые инкапсулируют в амфифильные контейнеры. Специальные методы доставки водорастворимых соединений разрабатывают нечасто, поскольку они сами способны проникать во многие ткани. И если с визуализацией доставки гидрофобных соединений также не возникает сложностей, то методы отслеживания местоположения гидрофильных соединений в реальном времени сводятся к ковалентному введению флуоресцентной метки. Это довольно трудоемко и может заметно изменить свойства лекарственного вещества. По этой причине возникает интерес к методам нековалентного введения метки, что подразумевает формирование агрегатов метка – лекарственное вещество. Для перехода к персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения мы предлагаем решать задачи доставки и визуализации доставки гидрофильных соединений, получая их агрегаты с подходящим амфифильным противоионом. Образующиеся наночастицы могут быть инкапсулированы в полиэлектролитные носители, а при условии встраивания гидрофобного красителя в гидрофобные участки структуры наночастиц может быть получено средство визуализации доставки. Визуализацию доставки гидрофильных соединений опробовали на примере антибиотика цефтриаксона (ЦЕФ) и ципрофлоксацина (ЦИП), которые образуют наночастицы с цетилтриметиламмонием (ЦТАБ) и полигексаметиленгуанидинием (ПГМГ). Были получены по стандартным методикам малеинированный, малеинированный сульфатированный и карбоксиметилированный хитозан, в которые и упаковывали образующиеся наночастицы. Изучили также синтетические полиэлектролиты (полиэтиленимин, полиакриловая кислота и пр.), однако они не имели преимуществ перед хитозанами в составе контейнеров для доставки. Длину цепи хитозана часто укорачивают обработкой пероксидом водорода или нитритом. Обнаружили, что использование хитозана, частично деполимеризованного с помощью нитрита, не имеет преимуществ по сравнению с исходным хитозаном. Получены также хитозаны, меченые родамином В, которые затем вводили в контакт с тройными агрегатами (ЦТАБ–краситель—модельное лекарство) и использовали эту систему для контроля местоположения хитозанового контейнера при доставке ЦЕФ и ЦИП. Для создания средства визуализации в систему вводили карбоцианиновый краситель, излучающий в ближней ИК (БИК) области спектра при возбуждении красным лазером (633 нм). Обнаружено, что гидрофобные карбоцианиновые красители способны образовывать самосборные структуры с ПГМГ и ЦЕФ или глицирризинатом натрия, что подтверждается разгоранием ИК-флуоресценции красителя в таких системах, а также методами динамического светорассеяния и Рэлеевского рассеяния. Полученные средства доставки охарактеризовали ИК-спектрами, распределением по размерам (размер наночастиц в просвечивающем электронном микроскопе составлял примерно 60 нм, а их агрегатов в растворе – порядка 1 мкм) и величиной дзета-потенциала (он был положителен за счет ПГМГ и находился в диапазоне 25-30 мВ). При получении наноконтейнеров предлагаемым методом большое значение имеет выбор противоиона. Мы показали возможность использования как ЦТАБ, так и ПГМГ в качестве противоионов в агрегатах цефтриаксон–краситель-противоион при использовании малеинированного и сульфатированного малеинированного хитозана для доставки ЦЕФ в раковые клетки молочной железы человека. С использованием метода конфокальной микроскопии зафиксирован флуоресцентный сигнал тройного агрегата в клетках. Поглощение клетками красителя выше с цефтриаксоном, чем без него, что косвенно подтверждает перенос через клеточную мембрану именно контейнеров состава краситель — ЦЕФ — ПГМГ — хитозан. В целях разработки высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды была продемонстрирована перспективность применения метода гигантского комбинационного рассеяния для мультиплексного определения ПАУ, в том числе бенз[a]пирена, в сложных по составу объектах без предварительной пробоподготовки пробы и разделения аналитов. Эти исследования будут продолжены на завершающем этапе проекта в качестве простого альтернативного метода по отношению к ВЭЖХ и ГХ-МС. Разработана методика синтеза ГКР-активного гибридного сенсорного элемента (как основа сенсора для определения ПАУ) на основе наночастиц серебра, иммобилизованных в матрицу хитозановой пленки. Полученные субстраты демонстрируют высокий коэффициент усиления ~ (1.0 ± 0.3)·10^6 на модельном индикаторном соединении родамине 6Ж при использовании лазера с длиной волны 532 нм, характеризуются высокой воспроизводимостью и равномерным латеральным усилением аналитического сигнала. Показано, что добавка оксида графена в сенсорную систему приводит к тушению фоновой флуоресценцию родамина 6Ж и позволяет повысить соотношение «сигнал-шум» в 3 раза. Разработаны индикаторные системы для определения ПАУ на основе комплексов с переносом заряда, интенсивно поглощающих в видимой области спектра, с возможностью контроля положения полосы поглощения от 550 до 800 нм для обеспечения в дальнейшем резонансного гигантского комбинационного рассеяния. Синтезированные гибридные сенсорные поверхности на основе хитозана и наночастиц серебра были применены в качестве ГКР-активной поверхности для определения ПАУ в виде комплексов с переносом заряда. Пределы обнаружения разработанных методик для бенз[a]пирена, фенантрена, флуорена и антрацена составили 0.4, 0.4, 0.2, и 0.1 мкМ соответственно. Для разработки методологии отбора проб в зонах повышенных концентраций бенз(а)пирена в атмосферном воздухе и экспериментальное подтверждение маркера ПАУ (профиля) в пробах выбросов производства алюминия, объектов теплоэнергетики, отопительных печей и котлов, транспорт и др. с целью дифференциации при суммарном наличии ПАУ от различных источников, прежде всего обособления источников выбросов ПАУ на алюминиевом производстве по сравнению с другими источниками ПАУ предложены диагностические соотношения образцов заводских фонарных выбросов и образцов, полученных при сжигании древесных пеллет и бурого угля. Диагностические отношения ПАУ были выявлены на основе метода ГХ-МС. В целях перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, созданию безопасных и качественных продуктов питания выбраны индикаторные системы для определения катехоламинов, диагностических белков, флаваноидов и витаминов путем синтеза окрашенных комплексов, интенсивно поглощающих в видимой области спектра, для обеспечения в дальнейшем резонансного гигантского комбинационного рассеяния. Связывание катехоламинов и их метаболитов с 4-аминоантипирином в присутствии ионов меди(II) позволило повысить химическую стабильность маркеров нейромедиаторного обмена, понизить предел обнаружения определяемых соединений на три порядка величины, проводить селективное определение на уровне наномолярных концентраций в биологических жидкостях (кровь, слюна) in situ. Разработанная индикаторная система на основе катехоламинов и их метаболитов является КР активной, при этом благодаря образованию окрашенных комплексов катехоламинов и их метаболитов с 4-аминоантипирином в присутствии ионов меди(II), позволяет проводить обнаружение и определение катехоламинов и их метаболитов методом спектроскопии ГКР в биологических жидкостях in situ. Связывание флаваноидов и витамина B6 в комплекс с ионами меди(II) и FeCl3, соответственно, позволило улучшить отношение сигнал:фон в ГКР спектре за счет тушения высоко интенсивного флуоресцентного фона от самих целевых аналитов и проводить детектирование сигнала на уровне 0.1 нМ. Таким образом, разработанные ГКР-сенсорные платформы и индикаторные системы позволяют проводить обнаружение и определение широкого класса биоаналитов, в том числе мультиплексного, на фоне матриц реальных биологических объектов.
2 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Создание функциональных материалов, высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов
Результаты этапа: Разработана масштабируемая методика синтеза ГКР (гигантского комбинационного рассеивания)-сенсорных субстратов с использованием новой плазмонной структуры на основе пленки хитозана, наночастиц серебра и оксида графена (ГО). Хитозан обеспечивает равномерное распределение наночастиц серебра из коллоидной суспензии и, следовательно, воспроизводимый рамановский сигнал с локальных участков измерений в несколько десятков микрон. Добавление оксида ГО в коллоидный раствор наночастиц серебра подавляет фоновый сигнал флуоресценции от аналита и приводит к увеличению отношения интенсивности сигнала к фоновой интенсивности флуоресценции до 6 раз по сравнению со структурами без ГО. Изготовленный плазмонный полимерный нанокомпозит обеспечивает предел обнаружения родамина 6Ж до 100 пМ с использованием длины волны лазера 532 нм (портативный объектив×10). Высокая коллоидная стабильность ОГ в воде и использование водного коллоида наночастиц серебра упрощают методику синтеза подложки вследствие нанесения композита ГО-серебро на поверхность пленки хитозана без необходимости формирования пленки ГО. Такой подход открывает перспективы для обеспечения более чувствительного обнаружения даже флуоресцентных аналитов с помощью коротковолновых лазеров (532, 633 нм) вместо ИК (785, 1024 нм) и способствует практическому применению разработанных плазмонных композитов в портативных Рамановских спектрометрах. Подход к молекулярной иммобилизации и резонансному комбинационному усилению сигнала соединений с помощью комплексов-усилителей (Molecular Immobilization and Resonant Raman Amplification by Complex-Loaded Enhancers, MIRRACLE) апробирован на ГКР-активных металлических наноструктурированных субстратах, модифицированных Аg-хитозан- медь(II), для чувствительного и быстрого определения катехоламинов (КА). Для тройных комплексов дофамина, норадреналина и адреналина состава (КA)2Cu(4AAП)2 появлялись новые полосы поглощения при 555, 600 и 500 нм соответственно (4AAП – 4 аминоантипирин). Новая полоса поглощения соответствует широкой полосе поверхностного плазмонного резонанса используемых наночастиц серебра: 450–600 нм и длине волны возбуждения 633 нм. За счет дополнительного резонансного усиления коэффициенты усиления составили 3.6·106. Возможности спектрального разделения спектров комбинационного рассеяния группы КА, которые отличаются только гидроксильной или метильной группой, в области «отпечатков пальцев» успешно продемонстрированы с помощью классической модели наименьших квадратов. Достигнутые пределы обнаружения КА на уровне наномолярных концентраций при мощности лазера всего 1.5 мВт позволили успешно апробировать разработанную сенсорную систему для мультиплексного определения катехоламинов на уровне референсных концентраций в крови здоровых людей. Была разработана ГКР сенсорная структура, моделирующая поверхность и размеры вируса SARS-CoV-2, которую использовали в сравнении со стандартным антигеном SARS-CoV-2 — рецептор--связывающим доменом (RBD) S-белка оболочки SARS. На основе предложенной плазмонной сенсорной структуры был разработан экспрессный ДНК аптасенсор для обнаружения коронавируса (штамм Ухань) в сэндвич-режиме без амплификации биоматериала. Изготовленные новые гибридные плазмонные структуры на основе «Ag-зеркало-SiO2-наноструктурированный Ag» демонстрируют чувствительность к обнаруживаемому аналиту, благодаря сочетанию локализованных поверхностных плазмонов в наноструктурированной поверхности серебра и щелевых поверхностных плазмонов в тонком диэлектрическом слое SiO2 между слоями серебра. Разработанные индикаторные системы сэндвич-типа демонстрируют высокую стабильность и специфичность сигнала от ГКР-активных соединений с RBD-специфичными ДНК-аптамерами, которые селективно связываются с S-белком синтетического вириона. Для работы с вирусами на таких сенсорных платформах не требуются специальные разрешения, и они могут применяться в любых лабораторных и внелабораторных условиях. Разработаны наноматериалы на основе хитозана для доставки лекарственных веществ через клеточную мембрану. Синтезирован карбоксиметилированный хитозан с малой степенью конверсии, содержащий 30% карбоксиметильных групп на мономерное звено. Полученный раствор наночастиц хитозана охарактеризован распределением по размерам и дзета-потенциалом поверхности (+3…+10 мВ), позволяющим частицам не быть гемотоксичными, но при этом активно связываться с клеточной мембраной. Частицы ковалентно помечены родамином (взаимодействием с изотиоцианатом родамина). Методом конфокальной микроскопии показано, что наночастицы карбоксиметилированного хитозана проникают в цитоплазму и ядро клеток рака молочной железы человека. Получены тройные агрегаты модельного антибиотика (цефтриаксона) с противоположно заряженным ПАВ (цетилтриметиламмония бромидом) и гидрофобным красителем. Агрегаты данного типа образуют ионы гидрофильных лекарственных веществ, которые могут таким образом быть визуализированы за счет находящегося в их составе флуоресцентного красителя. Получены также контейнеры, содержащие названные агрегаты и хитозан (карбоксиметилированный, малеинированный и немодифицированный), измерено их распределение по размерам и дзета-потенциалы. Обнаружено, что клетками рака молочной железы поглощаются контейнеры на основе карбоксиметилированного хитозана, другие полимеры обеспечивают худшую интернализацию контейнеров. Если в качестве красителя использовали природный хлорофилл а, контейнеры обнаруживали в цитоплазме и ядре клеток, причем частицы, содержащие краситель (вероятно, контейнеры) концентрировались на ядерной мембране. Таким образом, полученные наноконтейнеры перспективны для доставки и визуализации доставки гидрофильных цитостатических лекарственных веществ. Изучены возможности использования аналитических систем на основе треугольных нанопластинок серебра для спектрофотометрического определения восстановителей. Установлено, что взаимодействие треугольных нанопластинок серебра с L-аскорбиновой кислотой в присутствии нитрата серебра(I) сопровождается батохромным смещением и увеличением интенсивности полосы поверхностного плазмонного резонанса наночастиц, что может быть положено в основу способов определения восстановителей. Предполагаемый механизм взаимодействия включает восстановление ионов Ag+ до металлического серебра под действием определяемого соединения и его осаждение на поверхности наночастиц-затравок. Изучено влияние рН, времени взаимодействия, концентрации реагентов и посторонних соединений на величину аналитического сигнала. Предел обнаружения L-аскорбиновой кислоты в выбранных условиях равен 0.5 мг/л, диапазон определяемых содержаний составляет 1.7–60 мг/л. Предложенный в работе подход применен для определения L-аскорбиновой кислоты в листовом зеленом чае и яблочном соке. Изучено взаимодействие между треугольными нанопластинками серебра (ТНП) и биофлавоноидами в присутствии ионов серебра(I). Показано, что взаимодействие сопровождается батохромным смещением полосы локального поверхностного плазмонного резонанса ТНП и увеличением ее интенсивности. Изучены семь биофлавоноидов, различающихся по своей структуре. Оценено влияние структуры аналитов и основных внешних факторов на аналитический сигнал. Установлено, что пределы обнаружения биофлавоноидов в выбранных оптимальных условиях увеличиваются в ряду морин < рутин = кверцетин < дигидрокверцетин и составляют 0.9, 1.2, 1.2 и 2.0 мкмоль/л·соответственно. Хризин, нарингенин и нарингин не влияют на спектральные характеристики ТНП. Предлагаемый подход применен для спектрофотометрического определения флавоноидов в фармацевтических препаратах и шелухе лука. Оценены возможности трехреагентной бумажной микрофлюидной аналитической системы, включающей в качестве реагентов нитрат серебра, тетрафторборат 4-нитрофенилдиазония и хлорид железа(III), для определения дигидрокверцетина. Показано, что все три реагента дают разные оптические отклики, которые могут быть детектированы мини-спектрофотометром – калибратором мониторов или смартфоном. Способ применим для прямого измерения высоких содержаний дигидрокверцетина (диапазон линейности 0.026–1 мг/мл, предел обнаружения 7.7 мкг/мл), что удачно для анализа многих биологически активных добавок (БАД). Анализ пищевой БАД возможен с относительными стандартными отклонениями 0.09–0.26, что является удовлетворительным для количественного и полуколичественного определения. Показано, что построение градуировочного графика в трехмерном пространстве спектральных откликов трех реагентов позволяет отличить дигидрокверцетин от его близкого структурного аналога кверцетина. С использованием 5-нитро-2-фуральдегида в качестве нового дериватизирующего агента предложен способ быстрой пробоподготовки образцов пищевых продуктов при определении в них метаболитов нитрофуранов методом ВЭЖХ-МС/МС. На примере образцов мяса кур-бройлеров, получавших в течение 10 дней нитрофураны, показано, что в термостатированной ультразвуковой бане время гидролиза-дериватизации можно значительно уменьшить за счет повышения температуры до 80°C и концентрации соляной кислоты до 0.5 М. Проведено определение метаболитов фуралтадона, фуразолидона, нитрофурантоина и нитрофуразона в курином мясе, печени, желудках и сердце кур с использованием разработанного способа и официальной методики. Предложенный способ обеспечивает количественное выделение метаболитов. Разработан количественный мультиклассовый многокомпонентный аналитический метод определения ветеринарных препаратов в молоке методом ВЭЖХ-МС/МС. Всего исследовано 132 ветеринарных препарата, относящихся почти к 15 классам, включая сульфаниламиды, β-лактамы, тетрациклины, хинолоны, макролиды, нитрофураны, нитроимидазолы, фениколы, линкозамиды, плевромутилины, макроциклилактоны, хиноксалиновые антибиотики, бензимидазолы, антигельминтные препараты, кокцидиостатики и некоторые другие. Разработана процедура магнитной твердофазной экстракции с использованием магнитного сверхсшитого полистирола для пробоподготовки образцов перед ВЭЖХ-МС/МС анализом без этапа депротеинизации. Относительные стандартные отклонения были менее 0.2, а пределы определения варьировались от 0.05 до 1 мкг/кг. Методика применена к реальным образцам молока, в которых обнаружены следовые количества некоторых ветеринарных препаратов. Проведено сравнение особенностей извлечения дофамина из водных растворов сорбентами γ-Al2O3 и Strata-SDBL в статическом режиме, изучено влияние различных параметров (рН, времени контакта фаз, концентрации дофамина) на сорбцию. Наибольшая степень извлечения дофамина достигается при рН 8–9 на γ-Al2O3 и рН 5–11 на Strata-SDBL при времени сорбции 20 минут. Получены изотермы адсорбции дофамина на указанных сорбентах. Показано, что они относятся к классу изотерм Ленгмюра. Установлено, что γ-Al2O3 характеризуется значительно большей сорбционной емкость по отношению к дофамину и большей константой адсорбции, чем Strata-SDBL. Высказано предположение, что сорбция дофамина на γ-Al2O3 осуществляется преимущественно за счёт электростатических взаимодействий и водородных связей, а на Strata-SDBL – за счёт гидрофобных и π-π-взаимодействий. Для сорбционного концентрирования катехоламинов при их низких содержаниях в пробе целесообразно использовать γ-Al2O3; при этом сорбент Strata-SDBL может быть рекомендован для экспрессного концентрирования катехоламинов в динамическом режиме. Жидкостная экстракция является важной частью подготовки образца к анализу, обеспечивающей концентрирование микрокомпонентов и их отделение от мешающих компонентов матрицы. Для развития и совершенствования методов экстракционного концентрирования актуален выбор экологически безопасных, доступных, недорогих растворителей и экстракционных систем, способных обеспечить высокую эффективность извлечения, в том числе и гидрофильных соединений, для которых экстракция неполярными растворителями крайне неэффективна. Среди вариантов «зеленых» растворителей особенно перспективны комбинированные растворители на основе двух и более типов компонентов, например, ионные жидкости, двухфазные водные системы (ДФВС), легкоплавкие смеси. ДФВС могут быть получены путем смешивания по меньшей мере двух растворимых в воде веществ выше определенных концентраций. Наиболее распространенные и изученные ДФВС на основе полимеров, гидрофильных молекулярных растворителей, гидрофильных ионных жидкостей. Разделение фаз может быть вызвано добавлением высаливающих агентов, изменением температуры и т.д. Фазообразующими компонентами ДФВС могут быть и органические соли, в том числе активные с точки зрения комплексоообразования с аналитом. Иногда ДФВС могут образовываться в отсутствие высаливателя, что особенно важно с практической точки зрения для концентрирования и определения микрокомпонентов, а также дальнейшего сочетания с аналитическими методами определения. Составная природа ДФВС дает возможность, варьируя состав и природу фазообразующих компонентов, целенаправленно менять свойства растворителя под конкретную аналитическую задачу. Новые комбинированные растворители, представляющие собой ДФВС на основе галогенидов тетраалкиламмония, исследованы для экстракции органических соединений (красители, нестероидные противовоспалительные препараты, НПВП) и ионов РЗЭ. Для получения новых ДФВС, образующихся в отсутствие высаливающих агентов, изменения температуры и др. внешних воздействий, исследованы смеси доступных КПАВ и АПАВ (алкилсульфаты, алкилсульфосукцинаты и др.). Установлено, что фазовое поведение смесей катионных/анионных ПАВ зависит от их природы, концентрации, молярного соотношения. Разветвленность, асимметрия алкильных заместителей снижают тенденцию к образованию структурированных фаз. Установлены оптимальные условия получения гетерогенных систем жидкость-жидкость и факторы, влияющие на границы области расслоения. Изучены физико-химические свойства экстрагирующей фазы (плотность, вязкость, содержание воды и др.) и возможность применения для микроэкстракционного концентрирования комплексов ионов металлов и органических соединений. ДФВС на основе бромида тетрабутиламмония (ТБАBr) с сульфатом аммония в качестве высаливателя применена для микроэкстракционного концентрирования синтетических пищевых азокрасителей Красного очаровательного, Тартразина, Азорубина, Желтого “солнечный закат”, Зеленого прочного (0.075 M бромида тетрабутиламмония и 33 мас.% сульфата аммония, коэффициент концентрирования 56). Степень извлечения всех аналитов составила не менее 97% при рН 2.3–9.5 за 1 мин. Для облегчения разделения фаз и отделения экстракта использовали фильтрование через нетканый полипропилен. Аналиты элюировали дистиллированной водой и проводили спектрофотометрическое определение в элюате. Пределы обнаружения красителей составили 0.02–0.04 мг/л. Методика применена для определения красителей в напитках, лекарственном препарате “Ибупрофен” и др. Количественная групповая экстракция РЗЭ (Sc, Y, Ln (La – Lu), Th, U) в ДФВС на основе ТБАBr (не менее 95%) достигается в диапазоне рН 3.5–8.0 за 10 мин, только в присутствии комплексообразующих агентов. Экстрагирующая фаза ДФВС содержит в качестве основного фазообразующего компонента гидрофобный катион тетрабутиламмония, который может выполнять функцию противоиона при экстракции анионных комплексов РЗЭ. Кроме того, на эффективности экстракции положительно сказывается, по-видимому, высокое содержание воды в экстрагирующей ТБАBr-обогащенной фазе: 36.7 мас.% или 0.91 м.д. Реэкстракция раствором 0.05 М азотной кислоты составила 80±5% для всех РЗЭ, за исключением Th, U. Концентрирование в ДФВС снижает влияние матричных компонентов (щелочные, щелочноземельные металлы), солевой фон при извлечении РЗЭ из растворов с высоким содержанием солей и позволяет сохранить высокую чувствительность определения РЗЭ методами АС-ИСП и ИСП-МС. Продолжены работы по изучению механизма удерживания гидрофильных аналитов на сорбенте Hypercarb. Использовали ранее разработанную нами установку, позволяющую проводить ВЭЖХ разделение при приложенном к сорбенту электрическом потенциале. Предложен способ получения зависимости времени удерживания аналита от потенциала разомкнутой цепи, позволяющий сократить в несколько раз длительность эксперимента по сравнению с описанным в литературе за счет проведения хроматографических экспериментов до окончания изменения свойств сорбента под действием приложенного постоянного потенциала. Текущий потенциал сорбента измеряется в промежутках между регистрацией хроматограмм как потенциал разомкнутой цепи. Получены данные по удерживанию заряженных и незаряженных органических аналитов на сорбенте Hypercarb в диапазоне потенциалов разомкнутой цепи от –110 до +300 мВ. Показано, что для заряженных аналитов тангенс угла наклона прямой в координатах log k – EOCP (потенциал разомкнутой цепи) приблизительно соответствует заряду аналита, а для незаряженных аналитов меньше единицы, но статистически значимо отличается от нуля. Актуальность этого направления обусловлена необходимостью установления механизма удерживания гидрофильных и ионных аналитов на поверхности пористого графитированного углеродного сорбента. Новизна результатов состоит прежде всего в существенном упрощении конструкции электрохимической ячейки-колонки по сравнению с литературными аналогами. Практическая значимость развитого подхода заключается в возможности регулирования селективности разделения аналитов на неподвижной фазе за счет изменения ее потенциала, что существенно расширяет возможности классической ВЭЖХ. Изучена возможность концентрирования некоторых ПАУ на гидрофобизированном кремнеземе (ХМК-С16), модифицированном наночастицами магнетита (ХМК-С16-100/Fe3O4). Показано, что сорбция нафталина из 5%-ного водно-этанольного раствора на магнитном сорбенте менее эффективна по сравнению с исходным (коэффициент распределения на исходном сорбенте 1.2.103 см3/г, на магнитном 8.0.102 см3/г), а время установления сорбционного равновесия увеличивается до 30 мин. Сорбция пирена из 20%-го водно-этанольного раствора на магнитном сорбенте менее эффективна по сравнению с исходным (коэффициент распределения на исходном сорбенте 2.105 см3/г, на магнитном 5.0.103 см3/г), время установления сорбционного равновесия увеличивается от 60 мин до 120 мин. Разработан способ модифицирования кремнезема с привитыми группами иминодиуксусной кислоты наночастицами магнетита. Полученный магнитный сорбент применен для сорбционного концентрирования ионов металлов из водных растворов. Установлено, что сорбционные свойства полученного магнитного сорбента (область рН максимального извлечения, эффективность извлечения, кинетика сорбции) идентичны свойствам исходного сорбента. Совместно с сотрудниками Биоаналитической лаборатории "ООО "НВЦ Агроветзащита" предложено использовать магнитный гидрофобизированный кремнезем в процессе пробоподготовки при определении ряда лекарственных препаратов (4-хлорфенилмочевины, дифлубензурона) в почках крупного рогатого скота. Установлено, что применение ХМК-С16-100/Fe3O4 для очистки ацетонитрильных экстрактов почек позволяет сократить время проведения анализа. Результаты последующего определения исследуемых веществ методом ВЭЖХ-МС с использованием магнитного сорбента совпадают с результатами анализа, полученными по стандартной методике. Продолжено изучение материалов аналитического назначения – гелей на основе оксида кремния, допированных железом(III), для определения ацетилхолина после его гидроксамации. Исследования проводили в лунках микропланшета (96 лунок), модифицированных золь-гель пленками на основе оксида кремния, допированными железом(III). При взаимодействии продукта гидроксамации ацетилхолина (условия гидроксамации были выбраны ранее) с иммобилизованным железом(III) в пленках происходит образование красно-коричневого комплексного соединения. Оценены возможности двух способов регистрации аналитического сигнала – интенсивности окраски - с помощью микропланшетного фотометра (λ = 510 нм) и с помощью камеры смартфона с последующим анализом цифровых изображений (модель цвета RGB). Для фотометрического определения предел обнаружения составил 0.04 мМ (n=3), диапазон определяемых концентраций 0.13 - 5 мМ, относительное стандартное отклонение 0.16-0.06, для определения с помощью камеры смартфона предел обнаружения составил 0.20 мМ (n=3), диапазон определяемых концентраций 0.6 – 2.5 мМ, относительное стандартное отклонение 0.22-0.06. Актуальность полученных результатов определяется возможностью разработки на этой основе простых и надежных методик определения ацетилхолина в биологических жидкостях, предназначенных для использования "у постели больного". Синтезированы новые материалы аналитического назначения - ксерогели, допированные ванадием(V), и оценены их возможности для определения гидроксамовых кислот. В работе в качестве модельного вещества использована салицилгидроксамовая кислота (СГК), которая используется в качестве противовоспалительного средства при лечении урологических заболеваний. С помощью твердофазной спектрофотометрии установлена способность иммобилизованного ванадия(V) к комплексообразованию с СГК - наблюдается сине-фиолетовое окрашивание ксерогелей с максимумом поглощения при 540 нм. Изучено взаимодействие с ксерогелями на основе оксида кремния, оптимальный диапазон pH 0.5–2.0, равновесие достигается в течение 45 мин, образуются комплексы состава 1:1. На основе этих материалов разработана методика твердофазно-спектрофотометрического определения СГК: диапазон определяемых содержаний составляет 1.1·10-4 М – 1.5·10-3 М, предел обнаружения 3.5·10-5 М (n = 3). Актуальность полученных результатов определяется возможностью использования методики для контроля качества фармацевтических препаратов и проведения фармакокинетических исследований. Ранее был установлен кинетический механизм действия нанозимов «искусственная пероксидаза», а также оценены бимолекулярные константы отдельных элементарных стадий. Поскольку активность каталитически синтезированных наночастиц берлинской лазури зависит от их диаметра, необходимо выявить размерные зависимости констант элементарных стадий. Скорость-лимитирующей является стадия окисления комплекса нанозим-восстанавливающий субстрат пероксидом водорода; соответствующая константа: k2. Зависимость последней от диаметра нанозима в билогарифмических координатах линеаризуется для разных субстратов с тангенсом угла наклона приблизительно 3.0. Таким образом, пероксид водорода одинаково хорошо реагирует с активными центрами катализатора, расположенными по всему объему наночастиц. Очевидно, сами восстанавливающие субстраты ввиду их размера не способны также легко проникать внутрь нанозимов. Соответствующая зависимость линеаризуется с тангенсом наклона около 2.5. Ввиду кубической зависимости скорость-лимитирующей константы от размера следует ожидать очень высоких бимолекулярных констант. Для нанозимов с диаметром около 300 нм k2 для желтой кровяной соли достигает ~2·1011 М-1с-1, для катехола ~2·1010 М-1с-1. Полученные значения на 3-4 порядка величины выше констант пероксидаз для стадии их взаимодействия с пероксидом водорода (наиболее быстрой стадии) и на 4-5 порядков – константы скорость-лимитирующей стадии действия фермента. Таким образом, для больших нанозимов бимолекулярные константы скорость-лимитирующих стадий на 4 – 5 порядков выше по сравнению с ферментом пероксидазой. Для анализа неразбавленного пота верхний предел обнаружения лактатных биосенсоров должен быть не менее 100 мМ. Для достижения этого результата биосенсор покрывали дополнительной полимерной мембраной, которая, благодаря своему отрицательному заряду, ограничит транспорт отрицательно заряженного субстрата (лактата). Действительно, при концентрации перфторсульфонированного иономера в исходной смеси 3.5 % и выше наблюдается резкое смещение диапазонов определяемых концентраций в сторону высоких содержаний лактата. С другой стороны, перевод действия сенсора в диффузионно-контролируемый режим вызывает повышение его операционной стабильности. Действительно, время полуинактивации повышается в десятки раз. Биосенсор с диффузионно-лимитирующей мембраной, содержащей 4 % иономера, является оптимальным: широкий диапазон определяемых концентраций (0.5–500 мМ), высокая чувствительность (0.11 ± 0.03 мА М-1 см-2) и значительно увеличенное время полуинактивации (35 ± 1 ч). Линейный диапазон такого биосенсора (от 0.5 до 100 мМ) перекрывает интервалы физиологических концентраций лактата как в неразбавленном поте, так и в крови человека. Биосенсор с дополнительной полимерной мембраной сохраняет в районе 100% начального токового отклика в течение 5 ч в 20 мМ лактата. Кроме того, отклик разработанного биосенсора стабилен в течение 3 часов непрерывной работы в потоке неразбавленного пота, что достаточно для контроля гипоксии даже во время длительных тренировок.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Создание функциональных материалов, высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов
Результаты этапа: Разработка простых способов оценки качества и безопасности растительного сырья, а также контроля за эффективностью его переработки является важной задачей современной аналитической химии. Высокоинформативные методы колебательной спектроскопии, к которым относятся рамановская (КР) и инфракрасная (ИК), могут одновременно обеспечить недеструктивный, в ряде случаев дистанционный, мультиплексный скрининговый анализ при определении биологически активных веществ на разных стадиях биотехнологического процесса без привлечения высококвалифицированного персонала и пробоподготовки объектов. В этом году научно-исследовательская работа была направлена на разработку подходов к определению хинной, кофейной и хлорогеновой кислот методами колебательной спектроскопии в белковом изоляте и подсолнечном шроте. Получены экспериментальные и теоретически рассчитанные ИК- и КР-спектры хлорогеновой кислоты и ее прекурсоров – хинной и кофейной кислот. На основании расчетов определены типы колебаний атомов соединений в экспериментальных спектрах КР. Показана возможность мультиплексного определения хлорогеновой, кофейной и хинной кислот методом спектроскопии комбинационного рассеяния. Предложена методика определения хлорогеновой и кофейной кислот в матрице бычьего сывороточного альбумина как стандартного образца белка с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. Продемонстрирована принципиальная возможность проведения анализа белковых изолятов методом комбинационного рассеяния с нижней границей определяемых содержаний хлорогеновой и кофейной кислот 1 и 2 масс.% соответственно. Предложена методика определения хлорогеновой, кофейной и хинной кислот в матрице бычьего сывороточного альбумина как стандартного образца белка. Продемонстрирована принципиальная возможность проведения анализа белковых изолятов методом инфракрасной спектроскопии. Нижняя граница определяемых содержаний для хлорогеновой и хинной кислот в белковой матрице на уровне 1 масс.%, а кофейной кислоты – 0.5 масс.%. Предложена методика оценки первичного растительного сырья на содержание хлорогеновой и кофейной кислот с помощью ИК-спектроскопии. Методика апробирована на шроте подсолнечника. Одним из актуальных направлений исследований в современной аналитической химии является изучение возможностей наночастиц и нанокомпозитов. Благодаря особым наноразмерным эффектам, эти материалы предоставляют новые возможности для эффективного определения некоторых веществ. Композитный материал на основе треугольных нанопластинок серебра (ТНП Ag) и пенополиуретана предложен для целей химического анализа. Обоснованы перспективы его применения в твердофазно-цветометрическом определении органических тиолов. Обнаружено, что агрегация ТНП Ag под действием тиолов проявляется уменьшением полосы локализованного поверхностного плазмонного резонанса и ее значительным уширением. Спектральные изменения, сопровождающие процесс, можно зарегистрировать с помощью бытовых цветорегистрирующих устройств или визуально. Изучены четыре тиола, отличающиеся по своим функциональным группам. Установлено, что их пределы обнаружения увеличиваются в ряду цистеамин < 2-меркаптоэтанол < цистеин = 3-меркаптопропионовая кислота и достигают 50, 160, 500 и 500 нмоль/л соответственно. Продемонстрирована применимость разработанного подхода при анализе фармацевтических препаратов и пищевых продуктов. Современный уровень развития техники предлагает широкий выбор бытовых оптических устройств, не уступающих по некоторым характеристикам профессиональному аналитическому спектральному оборудованию. К таким устройствам можно отнести сканеры, цифровые фото- и видеокамеры, смартфоны, а также калибраторы мониторов. Актуально изучение возможностей этих устройств для решения задач аналитической химии. Изучена возможность использования обычного калибратора мониторного в качестве портативного и недорогого прибора для флуориметрического определения сульфаниламидов после их реакции с флуорескамином. Измерения люминесценции калибратором основаны на облучении исследуемого образца лампой прибора с широкополосным спектром в видимой и ближней УФ-областях и одновременной регистрации вторичного излучения детектором прибора. Испытаны два типа кювет с черными светопоглощающими стенками, исключающими отражение собственного излучения. В качестве хорошего варианта для таких измерений были предложены коммерчески доступные черные пластиковые микропробирки типа Eppendorf («LightSafe»). Показано, что калибратор мониторов может быть использован для оптимизации условий определения. На примере сульфаниламида и сульфаметазина показано, что процедуру следует проводить при рН 4–6, концентрации флуорескамина 200 мкмоль/л и времени взаимодействия 40 мин. Предел обнаружения сульфаниламида и сульфаметазина с помощью калибратора составляет 0.9 мкмоль/л и 0.8 мкмоль/л соответственно, что сопоставимо с их спектрофотометрическим определением. Предложен способ определения хинина с использованием калибратора мониторов. Выбраны условия измерений. Хинин можно определять в диапазоне 60–750 мкмоль/л, предел обнаружения составляет 20 мкмоль/л. Определению не мешают распространенные неорганические ионы, а также подсластители и регуляторы кислотности, присутствующие во многих напитках. Разработанный способ определения применим для анализа газированных напитков и лекарственных препаратов. По сравнению с традиционным спектрофлуориметром калибратор мониторов характеризуется компактностью, мобильностью, возможностью регистрации люминесценции в кюветах различных размера и формы и меньшей стоимостью. Этот этап проекта был направлен на разработку практических подходов к формированию полимерных матриц различной морфологии для получения ГКР (гигантского комбинационного рассеяния) активных поверхностей в целях их дальнейшего применения в областях экологического и биомониторинга, медицинской диагностики. В результате направленного выбора полимерной матрицы для получения основы ГКР-активных нанокомпозитных структур перспективность для дальнейшего использования продемонстрировали два природных полимера из изученных, а именно хитозан и желатин. Первый полимер характеризуется высокой оптической прозрачностью, отсутствием фоновых сигналов в широком спектральном диапазоне, развитой сорбционной поверхностью, легкостью модификации, возможностью получения на его основе воспроизводимых от синтеза к синтезу как пленочных структур, так и аэрогегей. Синтезированная матрица на основе желатина продемонстрировала уникальную химическую стабильность к окислению, несмотря на способность наночастиц серебра к окислению на воздухе. Кроме того, как матрицы на основе хитозана, так и желатина демонстрировали схожие эффективные плазмонные свойства, что также делает вышеописанные полимерные композиты перспективными для создания ГКР-активных сенсорных платформ для определения аналитов различной природы. Синтезированы наночастицы серебра а) методами Леопольда-Лендла, а также б) гидротермальным разложением аммиачного комплекса серебра, и золота – методом Туркевича, с дальнейшим укрупнением синтезированных наночастиц, соответственно. Определены положения поверхностных плазмонных резонансов полученных коллоидных растворов наночастиц с помощью спектроскопии поглощения в УФ-видимой области. С помощью изображений РЭМ установлено, что плотность наночастиц серебра, полученных методом Леопольда-Лендла выше, чем в случае использования термического разложения аммиачного комплекса в процессе гидротермальной обработки при содержании серебряного прекурсора одного порядка величины. Поэтому для дальнейших синтезов композитов в полимерной матрице была выбрана методика синтеза наночастиц серебра методом Леопольда-Лендла. В качестве полимерной матрицы для создания плазмонных гибридных структур апробированы пленки и аэрогели хитозана. Проварьирован ряд параметров при синтезе гибридных структур: концентрация полимера, способ формования, предварительная химическая модификация в растворе щелочи, время выдержки полимерной матрицы в коллоидном растворе наночастиц серебра Установлено влияние параметров синтеза плазмонных композитов на их морфологию, и как следствие, коэффициент усиления комбинационного рассеяния на примере модельного красителя родамина 6Ж. Наилучший коэффициент усиления на уровне 100000 модельного красителя родамина 6Ж продемонстрировала плазмонная структура на основе хитозановой пленки из 1 масс.% раствора хитозана, выдержанной в коллоидном растворе наночастиц серебра под воздействием УЗ в течение 30 мин. Плазмонная поверхность демонстрирует воспроизводимый сигнал на площади в десятки микрометров с относительной погрешностью 19%. Установлено, что разработанные сенсорные структуры уже сейчас можно использовать для определения раман-активных соединений на уровне намолярных содержаний, что перекрывает большее количество практических задач. Хорошее разрешение рамановских линий открывает возможность к использованию данных субстратов для определения соединений в смеси и/или сложной матрице. Разработана методика масштабируемого синтеза плазмонных материалов для производства катушки шириной 5 мм и длиной 3 м (0,015 кв.м.) на основе оптимального состава плазмонных материалов. Важной задачей хроматографического метода является разделение веществ, сильно различающихся по полярности. Актуальность этой задачи связана с необходимостью многокомпонентного контроля качества многих объектов, в частности пищевых продуктов. Предложен быстрый и простой подход к одновременному определению полярных и неполярных ветеринарных препаратов в молоке методом ЖХ-МС/МС. Определение основано на использовании системы, включающей две стандартные колонки для ВЭЖХ (C18 и HILIC), последовательно соединенные в одну линию. Были разделены 14 ветеринарных препаратов, в том числе кокцидиостатики и аминогликозиды с logP от –8.30 до 8.74. Пределы определения варьировались от 1 до 50 мкг/кг. Относительные стандартные отклонения для определения большинства веществ составляли < 20 %. Полученные данные свидетельствуют о хорошей чувствительности и надежности предлагаемого метода. Большую роль при многокомпонентном анализе играет также предварительная пробоподготовка, в частности наличие универсальных сорбентов для выделения и концентрирования большого числа аналитов за один раз. Разработан экспресс-метод ЖХ-МС/МС идентификации и определения запрещенных ветеринарных препаратов в меде. В общей сложности 31 ветеринарный препарат из 4 классов, включая метаболиты нитрофуранов, нитроимидазолы, амфениколы и хинолоны, был определен методом ЖХ-МС/МС с ионизацией электроспреем с использованием однократной инъекции. Пробоподготовка включала обработку 5-нитро-2-фуральдегидом (5-НФА) в термостатированной ультразвуковой бане (80 °С, 0.5М НСl, 20 мин) для высвобождения связанных с матрицей остатков нитрофуранов. Магнитный сверхсшитый полистирол предложен для твердофазной экстракции и очистки аналитов перед ЖХ-МС/МС анализом. Пределы определения аналитов варьируются от 0.3 до 1 мкг/кг, что указывает на хорошую чувствительность определения целевых соединений в меде. Степени выделения ветеринарных препаратов из 1 г меда 50 мг сорбента составляют 97–109% по метаболитам нитрофуранов, 84–115% по нитроимидазолам, 86–103% по амфениколам, 97–118% по хинолонам. Относительные стандартные отклонения внутридневных и междневных испытаний составляют менее 16%. Метод применен к анализу реальных образцов меда на содержание некоторых ветеринарных препаратов на следовых уровнях. В последнее время миниатюрные устройства для проведения сорбционного извлечения аналитов с целью их последующего определения привлекают внимание исследователей. Известны работы по изучению сорбционных процессов даже на единичной частице сорбента. Минимизация микрозонда особенно актуальна для его использования при определении различных веществ в пробах маленького объёма, например, таких как кровь. Это сокращает время проведения анализа, а при извлечении окрашенных соединений позволяет использовать метод цветометрии, применяя в качестве регистрирующего устройства лабораторный сканер. Миниатюрное устройство с иммобилизованными сорбционными микрозондами изготовлено путем нанесения на пленку сорбента (размер зоны 1 мм) и использовано для определения анионных пищевых красителей Зеленого прочного (ЗП) и Понсо-4R (П-4R). В качестве сорбентов выбраны кремнезем, химически модифицированных группами ЧАО (ХМК-ЧАО), и оксид алюминия. Эти сорбенты обладают жесткой широкопористой структурой матриц, для которых характерна высокая скорость массообмена, а наличие анионообменных центров гарантирует эффективность извлечения анионных красителей. После сорбционного извлечения оптимизированы условия регистрации аналитического сигнала с помощью сканера: оптимальные координаты цвета: для ЗП – «R» для П-4R – «G или В», разрешение не менее 1200 dpi, режим регистрации – отражение. Время достижения сорбционного равновесия в статическом режиме составляет 30 мин. Установлено, что на ХМК-ЧАО излечение достигается в области рН 2–6, на оксиде алюминия – в 0.05-0.15М HCl. Показано, что изменение объема пробы в диапазоне 0.3 – 10 мл при постоянной концентрации красителей в растворе не влияет на величину аналитического сигнала. Область градуировочных графиков зависимости аналитического сигнала от концентрации красителей наблюдается в диапазоне 1 – 7 мг/л. Предлагаемые иммобилизованные сорбционно-цветометрические микрозонды просты в изготовлении, удобны в использовании, дешевы, пригодны для анализа малых объемов пробы, что открывает широкие перспективы их практического применения при определении окрашенных аналитических форм. Гидрофильные фосфорорганические соединения представляют собой обширную группу веществ, примерами которых являются встречающиеся в повседневной жизни фосфорорганические гербициды и инсектициды: глифосат и глюфосинат, ацефат, ометоа являются возможными канцерогенами, а метамидофос и монокротофос токсичны и запрещены во многих странах. Гидрофильными фосфорорганическим соединениями также являются продукты трансформации нервно-паралитических отравляющих веществ (ОВ) – алкилфосфоновые и О-алкилалкилфосфоновые кислоты. Метилфосфоновая кислота и ее гомологи этил- и пропилфосфоновые кислоты, а также этил-, изопропил- и изобутилметилфосфоновые кислоты являются маркерами применения химического оружия. Из-за высокой опасности и токсичности указанных выше пестицидов и ОВ, продуктами разложения которых являются алкилфосфоновые и О-алкилалкилфосфоновые кислоты, необходима разработка простых, эффективных и надежных методов их определения в объектах окружающей среды, пищевых продуктах, биомедицинских и других объектах. Изучена возможность элюирования гидрофильных фосфорорганических веществ с использованием градиента концентрации муравьиной кислоты в водной подвижной фазе на пористом графитированном углеродном сорбенте Hypercarb. Аналиты детектировали с помощью моноквадрупольного масс-спектрометра. Удерживание аналитов изучали, варьируя состав подвижной фазы перед инжекцией раствора образца. Показано, что влияние ступенчатого градиентного элюирования на удерживание аналитов в первую очередь обусловлено состоянием поверхности сорбента, а не элюирующей способностью фаз, и что вытеснительный «квази-ионообменный» механизм удерживания аналитов является наиболее вероятным. Полученные результаты могут служить основой для разработки простых и надежных методик высокочувствительного определения указанных аналитов в объектах окружающей среды и пищевых продуктах. Проведено исследование удерживания 1,5-нафталиндисульфоновой кислоты, бензосульфоната натрия, бензамида, орто-толуидина и 2-хлоранилина в режиме электромодулированной ВЭЖХ на пористом графитированном углеродном сорбенте Hypercarb. Изучение проводили в диапазоне потенциалов разомкнутой цепи от –200 до +400 мВ. При этом использовали предложенную в нашей научной группе схему эксперимента, в которой внешний потенциал был приложен не на постоянной основе, а отключался для измерения равновесного потенциала разомкнутой цепи. Показано, что потенциал разомкнутой цепи связан с временем удерживания как заряженных, так и незаряженных аналитов, что позволяет использовать его в качестве обобщенной меры «состояния поверхности сорбента» в электромодулированной хроматографии. Новизна полученных результатов заключается прежде всего в выявлении факта влияния потенциала разомкнутой цепи на удерживание незаряженных аналитов, что не следует из общепринятой в литературе теоретической концепции удерживания аналитов в ЭМЖХ, основанной на «электростатическом механизме». Практическая значимость этого подхода заключается в возможности регулирования селективности разделения аналитов на неподвижной фазе за счет изменения ее потенциала, что существенно расширяет возможности классической ВЭЖХ. Начаты работы по конструированию проточной колонки для удерживания частиц в магнитном поле. Предложен вариант тороидального держателя капилляра, позволяющего размещать капилляр таким образом, чтобы силовые линии магнитного поля проходили перпендикулярно оси капилляра, и при этом обеспечивать достаточно большую длину капилляра в держателе. Жидкостная экстракция является широко распространенным методом разделения и концентрирования благодаря своей универсальности, доступности и эффективности. Приоритетным направлением развития современных методов экстракции, отвечающих принципам "зеленой химии", является минимизация, вплоть до полного исключения, использования токсичных разбавителей и экстрагентов, уменьшение потребления других вспомогательных реагентов. В связи с этим актуальны новые экстракционные системы на основе экологически безопасных, доступных и недорогих растворителей и экстрагентов. Альтернативой традиционным экстракционным системам могут быть комбинированные растворители (КР), к которым относятся ионные жидкости (ИЖ), двухфазные водные системы (ДФВС), легкоплавкие комбинированные растворители (ЛКР). Составная природа КР позволяет целенаправленно изменять их свойства путем изменения состава и природы составляющих компонентов. Экологичность КР может быть улучшена введением нетоксичных, биоразлагаемых и биосовместимых составляющих. С практической точки зрения особенно важна легкость получения экстракционной системы, доступность исходных реагентов. Легкостью получения отличаются ДФВС, образующиеся путем смешивания по меньшей мере двух растворенных веществ в воде, которые разделяются на две сосуществующие фазы при концентрациях выше определенного порога. Наиболее распространенными компонентами ДФВС являются водорастворимые полимеры, гидрофильные ИЖ, соли, гидрофильные растворители, смешивающиеся с водой и, по крайней мере формально, ЛКР. Разделение фаз может быть вызвано добавлением высаливающих агентов, изменением температуры, рН среды и т.д. Однако существует риск загрязнения пробы посторонними компонентами при введении солевых добавок в больших количествах, особенно при определении следовых количеств элементов и соединений. Чтобы сократить время подготовки образцов и обеспечить более мягкие условия для экстракции нестабильных соединений, желательно иметь дело с ДФВС, образование которых не требует длительной стадии нагревания/охлаждения. В связи с этим значительный интерес представляют ДФВС на основе смесей катионных и анионных ПАВ. Когда водные растворы КПАВ и АПАВ смешивают при определенных концентрациях и молярных соотношениях, возможно образование двух несмешивающихся жидких фаз. Фазовое поведение смесей ПАВ существенно зависит от природы, молярного соотношения и концентраций ПАВ. Довольно часто получение систем жидкость-жидкость осложняется процессом осаждения при эквимолярных количествах введенных ПАВ. Впервые получены и исследованы новые экстракционные системы на основе КПАВ, хлорида бензетония (BztCl) и АПАВ, лауроилсаркозината (NaLS) и дигексилсульфосукцината натрия (NaDHSS). Показано, что избежать образования твердой фазы можно правильным выбором поверхностно-активных веществ. Склонность к выпадению в осадок уменьшается при использовании ПАВ с асимметричной и разветвленной углеводородной цепью, а также с наличием полярных, например, оксиэтиленовых, групп. Смеси ПАВ BztCl/NaLS и BztCl/NaDHSS образуют двухфазные системы жидкость-жидкость при молярном соотношении, близком к эквимолярному, и общей концентрации ПАВ 0.01–0.20 М, при мольной доли BztCl от 0.36 до 0.65 (для BztCl/NaLS) и от 0.45 до 0.55 (BztCl/NaDHSS). Для обеих систем построены фазовые диаграммы, установлены границы области существования двухфазной системы, определены плотность, вязкость, полярность и содержание воды в фазах, богатых поверхностно-активными веществами, при эквимолярном соотношении BztCl:NaA (где А– LS или DHSS). Установлены условия для количественной экстракции и микроэкстракционного концентрирования синтетических пищевых красителей (Азорубин, Желтый «солнечный закат», Красный очаровательный, Тартарзин, Зеленый прочный): рН, общая концентрация ПАВ, соотношение объемов фаз, концентрация красителя и время экстракции / центрифугирования. Предложены подходы и методики, обеспечивающие сочетание концентрирования в ДФВС на основе BztCl с аналитическими методами определения: спектрофотометрией и методом атомной эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой. Предложены методики для спектрофотометрического и цветометрического (непосредственно в экстракте без отделения водной фазы) определения пищевых красителей после концентрирования в двухфазную водную систему (ДФВС). Колориметрическое определение с помощью смартфона проводили непосредственно в экстракте без отделения водной фазы. Пределы обнаружения составили от 0.004 до 0.01 мг/л для спектрофотометрического и 0.008–0.05 мг/л для колориметрического определения красителей с помощью смартфона. Метод успешно применен для определения красителей в образцах пищевых продуктов и промышленных сточных водах пищевой промышленности. Водная двухфазная система BztCl–NaDHSS–Н2О применена для жидкостно-жидкостной микроэкстракции Cd(II), Co(II), Cu(II), Mn(II), Ni(II) и Pb(II) с последующим определением методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой. Степень извлечения Cd(II), Co(II), Mn(II), Ni(II) и Pb(II) составила около 100%, для Cu(II) – не ниже 88% в присутствии 8-гидроксихинолина в качестве комплексообразующего реагента. Определение металлов методом ИСП-АЭС проводили после реэкстракции разбавленным раствором азотной кислоты. Предварительное концентрирование в новую ДФВС в течение 30 сек и высокая степень реэкстракции, которая достигалась за 1 мин, значительно сократили время подготовки образца, матричные эффекты и обеспечили низкие значения пределов обнаружения в диапазоне 0.04–1.0 мкг/л, коэффициент концентрирования составил 120. Точность предложенной методики подтверждена анализом сертифицированного образца поверхностной воды и определением ионов металлов в образцах водопроводной, морской и сточных вод. Выбраны условия получения в лунках микропланшета золь-гель пленок, допированных ванадием(V). Изучено влияние концентрации ванадия(V), рН и времени контакта на чувствительность определения салицилгидроксамовой кислоты (СГК) и продукта гидроксамации ацетилхолина. Разработаны методики спектрофотометрического и цветометрического (с помощью смартфона) определения СГК, пределы обнаружения (n=3) и диапазоны определяемых содержаний составили: 0.07 мМ и 0.17 мМ, 0.2–3.0 мМ и 0.5–3.0 мМ, соответственно, определение ацетилхолина осложняется мешающим влиянием гидроксиламина, избыток которого необходим на стадии гидроксамации ацетилхолина. Изучено влияние матриц биологических жидкостей (мочи и сыворотки) на спектрофотометрическое и цветометрическое определение СГК и ацетилхолина (после его гидроксамации) с золь-гель пленками, допированными железом(III), и СГК с золь-гель пленками, допированными ванадием(V). Компоненты искусственных биологических жидкостей не оказывают влияния на определения. Для спектрофотометрических определений относительные стандартные отклонения (n=3) составили 0.03 – 0.07, правильность – 86–100%. Для определений со смартфоном относительные стандартные отклонение составили 0.04–0.08, правильность – 80–100%. Для неинвазивного мониторинга гипоксии разработанный лактатный биосенсор был интегрирован в проточный потосборник. Чувствительность биосенсоров в составе неинвазивного монитора всего на 10–15 % ниже, чем аналогичная величина, полученная в периодическом режиме при перемешивании. Разработанный монитор гипоксии прошел валидизацию с использованием альтернативного метода. Наблюдается корреляция между онлайн-показаниями монитора гипоксии и результатами проточно-инжекционного анализа: коэффициент корреляции Пирсона превышает 0.99. Апробацию проводили во время тренировки (приседания) здорового добровольца, использовали одновременно два монитора. Первый монитор помещали на поверхность кожи бедра (рабочая мышца), а второй – на поверхность кожи предплечья (нерабочая мышца). Независимо концентрацию лактата в поте контролировали в образцах, отобранных на выходе из монитора. Во время тренировки концентрация лактата в поте с работающей мышцы растет, а после окончания упражнений – довольно быстро снижается; динамика схожа с изменением концентрации лактата в крови. Напротив, лактат в поте с неработающей мышцы существенно не меняется во время тренировки. Это согласуется с ранее полученными данными, что только концентрация лактата в поте, собранном с области над работающими мышцами, может, наряду с уровнем лактата в крови, выступать в качестве индикатора гипоксии в ходе изнурительной физической нагрузки. Синтезированы сверхмалые нанозимы, диаметр которых (4–5 нм) практически совпадает с размером фермента пероксидазы. Установлено, что зависимость каталитической константы от диаметра наночастиц для сверхмалых наночастиц, каталитически синтезированных в системе обращенных мицелл, принадлежит той же зависимости, что и константы для традиционно синтезированных нанозимов. Таким образом, полученные сверхмалые наночастицы берлинской лазури можно отнести к семейству нанозимов «искусственная пероксидаза». Сверхмалые нанозимы, ввиду их размеров, намного уступающих размерам каталитически синтезированных наночастиц берлинской лазури без использования темплатов, позволили дополнить размерные зависимости физико-химических свойств последних. Модификация электродов берлинской лазурью путем нанесения суспензии наночастиц впервые в истории модифицированных электродов позволила оценить долю материала, вовлеченную в электрохимическую реакцию. Эта доля, существенно отличающаяся от 100%, оказалась зависящей от диаметра наночастиц. Как оказалось, доля электроактивной берлинской лазури в случае модификации сверхмалыми нанозимами (93%) прекрасно укладывается в полученную ранее зависимость. Таким образом, сверхмалые наночастицы, полученные методом темплатного каталитического синтеза берлинской лазури, позволяют проверять и дополнять размерные зависимости физико-химических свойств нанозимов «искусственная пероксидаза». Визуализация доставки хорошо разработана для гидрофобных соединений; она опирается на помещение лекарственного вещества с гидрофобным красителем в амфифильный контейнер. Гидрофильные вещества не удерживаются в амфифильных контейнерах, поэтому для введения флуоресцентной метки используют ковалентное связывание красителя. Однако свойства молекулы при этом могут значительно изменяться. В связи с этим визуализация доставки гидрофильных соединений является весьма актуальной задачей. Ранее нами была обнаружена возможность образования гидрофобных агрегатов лекарственных веществ с амфифильным противоионом. Это позволяет ввести флуоресцентную метку в агрегат без формирования ковалентной связи. Интенсивная флуоресценция красителя наблюдается только при его нахождении в составе гидрофобного домена таких агрегатов. В настоящей работе использовали два гидрофильных лекарственных вещества: гентамицин, аминогликозидный антибиотик, и винорелбин, противоопухолевое вещество. В целях визуализации получены флуоресцирующие в ближней инфракрасной области спектра агрегаты этих соединений с карбоцианиновыми красителями и лаурат-ионом в качестве противоиона. Изучено 4 карбоцианиновых красителя, из которых для дальнейшей работы выбрано два. Для выделения агрегатов использован метод осаждения из водного раствора. Размер агрегатов с гентамицином составляет от 200 до 600 нм, с винорелбином от 400 до 1000 нм, тогда как дзета-потенциал поверхности частиц варьирует в диапазоне -15...-5 мВ. Результаты исследования физических характеристик частиц не опровергают предположения об их биосовместимости, что сделало возможным переход от экспериментов in vitro к in vivo. Обнаружили, что агрегаты сорбируются всеми исследованными тканями кур: подкожной жировой клетчаткой, мышечной, костной и эндотелиальной, причем агрегаты с винорелбином полнее сорбируются мышечной тканью, а с гентамицином — кожей, поскольку она содержит много жиров. Практическая значимость результатов заключается в том, что полученные агрегаты могут быть использованы для визуализации доставки лекарственных веществ в ткани живых организмов.
4 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Создание функциональных материалов, высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов
Результаты этапа: В рамках проекта были проведены работы по выбору наиболее эффективных синтетических и методических приемов конструирования плазмонной наноструктурированной поверхности в результате варьирования способов получения наночастиц серебра электрохимическим (ЭХ) методом синтеза наночастиц (НЧ). Для оценки эффективность медной фольги в защите наночастиц серебра от окисления, была изучена стабильность синтезированных образцов. Данные об изменении коэффициентов усиления (КУ) для образцов, хранившихся в вакууме в течение 50 дней, свидетельствуют о высокой стабильности гигантского комбинационного рассеяния (ГКР)-сенсорных элементов (КУ уменьшился в 1.05 раз). На примере молекулы пиридина разработан подход к созданию новых универсальных полимерных матриц с развитой поверхностью, которые выступают одновременно основой нанокомпозитной сенсорной системы, сорбционным материалом для удерживания наночастиц серебра на поверхности сенсора, а также для извлечения и направленного транспорта молекул-аналитов из сред разного состава и полярности. Были зарегистрированы ГКР-спектры пиридина на сенсорном элементе на основе нейлонового волокна, хитозана и наночастиц серебра. Оксид графена (ОГ), добавленный на этапе синтеза коллоида наночастиц серебра (Ag:ОГ = 10:1), позволил сорбировать, удержать на сенсорной поверхности летучий пиридин и получить стабильный во времени ГКР-сигнал. Такая модификация усиливающей поверхности открывает возможность анализа пиридина из газовой фазы после предварительной сорбции аналита на усиливающей поверхности с помощью оксида графена. Были разработаны эффективные приемы дизайна плазмонной поверхности на основе наночастиц золота звездоподобной формы (AuНЗ). Выбор такого форм-фактора частиц при оптимальном расположении их на сенсорном элементе позволяет достичь высоких значений КУ при возможности использования недеструктивных для биомолекул низкоэнергетичных лазеров (633 и 785 нм). Другой подход к получению ГКР-активной поверхности на основе золотых нанозвезд заключается в предварительном концентрировании коллоида в 20 раз до образования «плазмонных чернил», которые можно наносить на любые твердые поверхности. Коэффициент усиления данной поверхности, рассчитанный по родамину 6Ж, составляет (5,2±0,9)×10^5. Таким образом, подход к синтезу плазмонных поверхностей на основе ГКР-активных сконцентрированных коллоидных растворов наночастиц благородных металлов позволяет экспрессно изготавливать ГКР-активный субстрат во внелабораторных условиях на любых поверхностях. При этом важно отметить, что медная подложка является перспективным субстратом как при электрохимическом синтезе наночастиц серебра, так и для нанесения предварительно синтезированных частиц золота из растворов благодаря достижению высоких величин КУ, воспроизводимости аналитического сигнала и химической стабильности сенсорных элементов в процессе хранения на воздухе и эксплуатации. Были разработаны индикаторные системы на основе фенольных соединений и биогенных аминов путем связывания их в окрашенные соединения для реализации резонансного ГКР как дополнительного приема снижения предела обнаружения (ПО). По полученным ГКР-спектрам были построены градуировочные зависимости кверцетина и его комплексов с тербием и железом. Согласно полученным данным пределы обнаружения составили 6, 4 и 2,5 мкМ соответственно. Разработанную систему апробировали на плазме крови человека, определяя кверцетин методом введено-найдено. Спектры, полученные в этиловом спирте, качественно не отличались от спектров, зарегистрированных в плазме крови. Интенсивность характеристических сигналов уменьшалась примерно на порядок, что способствовало снижению чувствительности определения флавоноида в плазме крови. Были продолжены работы по разработке наиболее эффективных синтетических приемов к получению индикаторной системы на основе биогенных аминов. На наноструктурированных серебряных сенсорных поверхностях регистрировали ГКР-спектры двойных комплексов дофамина и норадреналина с 4-аминоантипирином (4-ААП) с использованием возбуждающего лазерного излучения 638 нм. Индикаторная система на основе двойных комплексов катехоламинов с 4-ААП позволяет проводить детектирование указанных соединений на уровне наномолярных концентраций и является перспективными для их определения на уровне присутствия в биологических жидкостях. При этом проведение анализа не предполагает сложной и длительной пробоподготовки. Продемонстрировано, что плазмонные структуры на основе наночастиц благородных металлов способны проявлять каталитические свойства по отношению к аналиту (например, тетраметилбензидину, то есть служить миметиками пероксидазы) с возможностью единовременного усиления сигнала ГКР от его окисленной формы с чувствительностью на уровне единичных молекул. Проведена апробация разработанных плазмонных наноструктурированных сенсорных платформ для высокочувствительного, селективного и недеструктивного определения полифенолов в пищевых продуктах на технологических производствах, на примере белка подсолнечного шрота. К таким фенольным соединениям относят хлорогеновую кислоту, а также ее прекурсоры – кофейную и хинную кислоты. В качестве сенсорного элемента использовали покрытие из ГКР-чернил наночастиц золота на медной фольге. Для анализа выбрали лазер с длиной волны 638 нм, так как положение полосы поверхностного плазмонного резонанса золотых нанозвезд – 710 нм. Нижняя граница концентраций хлорогеновой кислоты, для которой удалось зарегистрировать ГКР-спектр, составила 10^-2 ppm. Таким образом, спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния обладает достаточной чувствительностью для определения даже следовых количеств веществ хлорогеновой кислоты, что может обеспечить возможность быстрого контроля качества продуктов переработки растительного сырья. Для контроля качества и степени очистки вод различного происхождения предложена скрининговая реакция окисления карбоцианинового красителя гипохлоритом, которая дает продукты, поглощающие в разных областях видимого спектрального диапазона в присутствии ряда соединений: аминов и аминокислот, белков, ДНК, фенолов и некоторых других. Обнаружено, что указанные соединения ингибируют окисление, что вызывает изменение окраски по сравнению с контрольным опытом и позволяет построить кинетические кривые изменения светопоглощения, комбинационного рассеяния, отличающиеся для разных для групп аналитов. Цель работы заключалась не в определении отдельных компонентов, а в получении сигнала больших групп веществ для сбора максимальной информации об образце с помощью одной индикаторной системы. При этом детектирование достаточно селективно, чтобы отличить наиболее реакционноспособные соединения друг от друга и от менее реакционноспособных, а также азотсодержащие органические соединения от других модельных аналитов. Достоинства предлагаемой индикаторной системы – контрастное изменение окраски, различной для групп аналитов, влияющих по разным механизмам; возможность измерения сигнала фотографическим способом с помощью смартфона или визуализатора, портативного рамановского спектрометра, а также визуального наблюдения окраски; возможность детектирования сигнала на фоне матрицы природной воды. Методика несложна и экспрессна, она может быть использована в качестве основы для разработки групповых тестов в реальных образцах вод. Подобные методики могут быть реализованы вне лаборатории; для этого могут быть разработаны готовые к использованию сухие тест-системы в 96-луночных планшетах, к которым остается только добавить образец воды, после чего можно проводить детектирование обычным способом. Прямые аналоги предлагаемых систем не описаны. Результаты являются новыми и патентоспособными. Микрофлюидные аналитические системы на основе бумаги представляют собой проточные аналитические системы, в которых транспорт жидкости осуществляется за счет ее движения по бумаге от зоны ввода до зоны детектирования под действием капиллярных сил. Одним из актуальных практических приложений микрофлюидных систем на основе бумаги является определение биологически активных веществ. Зачастую такое определение проводится в варианте скринингового анализа для выявления проб, которые следует подвергнуть более детальному исследованию. К числу важных биологически активных веществ относятся такие антиоксиданты, как флавоноиды. Широкая распространенность и выраженная биологическая активность флавоноидов делают актуальной разработку простых и недорогих методов их определения, пригодных для массового использования. Развита концепция сборных микрофлюидных систем на основе бумаги, которая подразумевает конструирование микрофлюидных систем той или иной архитектуры из заранее приготовленных отдельных бумажных частей на адгезивной подложке. Изучена возможность определения кверцетина, дигидрокверцетина, морина и рутина методами спектроскопии диффузного отражения и цифровой цветометрии с использованием сборных микрофлюидных систем на основе бумаги. Показана возможность использования мини-спектрофотометра – калибратора мониторов для регистрации оптического аналитического сигнала, возникающего на зоне детектирования бумажных микрофлюидных систем. Следует отметить, что в отличие от традиционных цветорегистрирующих устройств (таких как сканеры, цифровые фото- и видеокамеры, камеры смартфонов и т.д.), калибратор мониторов позволяет регистрировать полный спектр диффузного отражения в видимой области, что существенно повышает информативность анализа. Выбраны условия нанесения фотометрических реагентов на зоны детектирования микрофлюидных систем. В качестве реагентов для определения флавоноидов предложены щелочной раствор нитрата серебра(I), сферические наночастицы серебра в присутствии нитрата серебра(I) и треугольные нанопластинки серебра в присутствии нитрата серебра(I). Предполагаемый механизм взаимодействия включает восстановление нитрата серебра(I) до металлического серебра под действием флавоноидов и его осаждение на поверхности наночастиц, что приводит к их укрупнению. Установлено, что морфология используемых наночастиц существенно влияет на величину аналитического сигнала. Показано, что наибольшей чувствительности определения флавоноидов удается достичь при нанесении на зону детектирования микрофлюидных систем смеси щелочных растворов нитрата серебра(I) и треугольных нанопластинок серебра. Во всех случаях наблюдаемые спектральные изменения, линейно связанные с концентрацией флавоноидов в анализируемых растворах, могут быть положены в основу способов их определения методами спектроскопии диффузного отражения и цифровой цветометрии. Оценены аналитические характеристики способов определения кверцетина, дигидрокверцетина, морина и рутина с использованием сборных микрофлюидных систем на основе бумаги. Пределы обнаружения флавоноидов в зависимости от природы вещества и способа регистрации аналитического сигнала составляют 0.1–0.2 мкг. Диапазоны определяемых содержаний флавоноидов составляют 0.5–6 мкг. Достаточный для анализа объем пробы не превышает 20 мкл. Относительное стандартное отклонение при определении 3 мкг флавоноидов не превышает 0.06. Предложенный подход успешно применен для количественного определения флавоноидов в настойке боярышника (ООО «Флора Кавказа», Россия), настойке календулы (ООО «МосФарма», Россия) и луковой шелухе. В рамках направления, связанного с разработкой новых люминесцентных реагентов для количественного определения биологически активных тиосоединений, изучена возможность определения глутатиона с использованием люминесцентных нанокластеров меди. Стратегия определения глутатиона основана на селективном ингибировании тушения люминесценции нанокластеров меди в результате связывания тушителя с сульфгидрильной группой аналита. Молярную концентрацию глутатиона, связанного с тушителем, определяли по увеличению интенсивности полосы люминесценции нанокластеров меди при длине волны 420 нм. Установлено, что максимальная интенсивность люминесценции нанокластеров меди в присутствии тушителя и глутатиона достигается через 2.5 мин после смешивания всех реагентов в диапазоне pH 2–5. Предел обнаружения глутатиона в выбранных оптимальных условиях составляет 16 мкМ, диапазон определяемых содержаний составляет от 50 мкМ до 0.7 мМ. Относительное стандартное отклонение при определении 0.3 мМ глутатиона не превышает 0.04. Оценена селективность разработанного подхода по отношению к неорганическим ионам и различным биомолекулам. Установлено, что люминесцентному определению глутатиона не мешают 10-кратные избытки распространенных неорганических ионов и сопоставимые количества глюкозы, фруктозы, таурина, L-орнитина, L-аргинина и янтарной кислоты. Предложенный способ определения глутатиона применен для анализа фармацевтических препаратов «Ацетил-глутатион» (ОАО «Эвалар», Россия) и «Гепакомб Детокс» (ООО «Фармакор Продакшн», Россия), а также биологически активной добавки «Advanced Antioxidant Formula» (Solgar Vitamin, США), которые содержат глутатион в качестве основного компонента. Во всех случаях содержание глутатиона, найденное с использованием предлагаемого подхода, соответствует результатам, полученным с помощью независимого метода, что свидетельствует о хорошей правильности определения. Систематизированы литературные данные по способам синтеза и применению кремниевых наночастиц в химическом анализе. Показано, что кремниевые наночастицы — перспективные наноразмерные материалы, которые за счет своей хорошей стабильности, низкой токсичности, оптических характеристик и других свойств нашли широкое применение в аналитической химии. Для синтеза кремниевых наночастиц применяются различные варианты физического, химического, биогенного синтеза. Варьируя условия, можно получать наночастицы с заданными геометрическими параметрами и оптическими свойствами. Благодаря низкой токсичности, высокой стабильности, возможности модифицирования, хорошим флуоресцентным и другим свойствам данные частицы можно рассматривать как перспективный материал для решения многих задач аналитической химии: обнаружения и определения ионов тяжелых металлов, радикалов, анионов и биологически активных соединений (глюкоза, гемоглобин, дофамин и др.). Проведен синтез люминесцирующих кремниевых наноточек со средним диаметром 3.2 ± 1.9 нм, которые характеризуются возбуждением люминесценции при 360 нм, люминесценцией – при 445 нм. Изучено взаимодействие кремниевых наноточек с катехоламинами: дофамином, норадреналином и адреналином. Показано, что в результате взаимодействия наноточек с дофамином происходит уменьшение интенсивности люминесценции, что можно использовать как аналитический сигнал для определения этого катехоламина. При взаимодействии наноточек с норадреналином и адреналином в спектре люминесценции появляется полоса при 500 нм и несколько уменьшается интенсивность люминесценции при 445 нм, как аналитический сигнал при определении этих катехоламинов следует использовать отношение интенсивности люминесценции при 500 нм к интенсивности люминесценции при 445 нм. Пределы обнаружения дофамина, норадреналина и адреналина составили 2, 0.06 и 0.14 мкМ, соответственно, диапазоны определяемых содержаний: 6 – 50 мкМ, 0.20 – 50 мкМ и 0.47 – 50 мкМ, определению не мешают многие гидрофильные и слабо заряженные вещества. Предложенный способ определения катехоламинов применим для анализа лекарственных препаратов. На примере дофамина показана возможность люминесцентного определения катехоламинов, содержащих в своей структуре первичную аминогруппу, по реакции с флуорескамином. В результате взаимодействия образуется люминесцирующий продукт с максимумом люминесценции при 485 нм и максимумом возбуждения люминесценции при 395 нм, наибольшая интенсивность люминесценции наблюдается при проведении реакции при рН 8–8.5 в фосфатном буферном растворе через 5 мин после смешения реагентов, флуорескамин следует вводить последним. Оценены аналитические характеристики определения дофамина: предел обнаружения составляет 0.5 мкМ, диапазон определяемых содержаний – 1.5 – 100 мкМ. Изучена возможность люминесцентного определения суммарного содержания сульфаниламидных препаратов по их реакции с флуорескамином. Показано, что возможно определение суммарного содержания сульфаниламида, сульфаметазина и сульфаметоксазола при их совместном присутствии, присутствие сульфаметоксипиридазина приводит к заниженным результатам. Предложен подход к экстракционно-флуориметрическому определению сульфаниламида, сульфаметазина и сульфаметоксазола с использованием бытового цветорегистрирующего устройства – калибратора мониторов i1Pro2. Определение основано на предварительной дериватизации сульфаниламидов флуорескамином и последующей экстракции люминесцирующего продукта в небольшой объем несмешивающегося с водой органического растворителя. Использование для измерений калибратора мониторов позволяет проводить определение без отделения экстракта от водной фазы. Для этого в качестве разделителя фаз следует использовать черную полимерную мембрану с плотностью меньше плотности воды и больше плотности органической фазы: она самопроизвольно располагается на границе раздела фаз и служит своеобразным дном новой кюветы, в которой проводятся измерения. Применимость предложенного способа экстракционно-люминесцентного определения сульфаниламидов проверена при анализе лекарств. Магнитный сверхсшитый полистирол впервые использован в качестве сорбента в методе магнитной твердофазной экстракции с диспергированием сорбента углекислым газом. Для экстракции нитроимидазолов и их метаболитов из образцов меда перед их определением методом ВЭЖХ-МС/МС использовали шипучую таблетку, состоящую из магнитного сверхсшитого полистирола, гидрокарбоната натрия и лимонной кислоты. В предлагаемом способе диспергирование сорбента происходит без помощи дополнительных источников энергии (таких как ультразвук и перемешивающие устройства), а за счет интенсивного выделения углекислого газа при растворении таблетки. Магнитные свойства сорбента позволяют отделять его без использования центрифугирования или фильтрации. В результате процедура экстракции занимает менее 3 мин. Изучено влияние мольного соотношения гидрокарбоната натрия и лимонной кислоты, массы магнитного сорбента, массы таблетки и условий десорбции на извлечение аналитов. Также предложенный подход показал свою перспективность для выделения и концентрирования амфениколов (хлорамфеникола, флорфеникола и тиамфеникола) из меда и молока перед их определением методом ВЭЖХ-МС/МС. Использовали шипучие таблетки, состоящие из гидрокарбоната натрия, лимонной кислоты и магнитного сверхсшитого полистирола в случае меда, гидрокарбоната натрия и магнитного сверхсшитого полистирола в случае молока. Пределы определения для разработанных методик составили 0.3–1 и 0.02–0.05 мкг/кг для меда и молока соответственно. Проанализированы и обобщены обзорные статьи по дисперсионной твердофазной экстракции (ДТФЭ) и магнитной твердофазной экстракции (МТФЭ), которые относятся к современным методам твердофазного сорбционного концентрирования. По сравнению с классической твердофазной экстракцией эти методы имеют ряд преимуществ, таких как снижение расхода сорбентов и растворителей, времени экстракции и стоимости анализа. Систематизирована информация о разных вариантах этих методов, различающихся осуществлением процесса концентрирования, природой используемых сорбентов, сочетанием с методами последующего определения сконцентрированных веществ; приведены примеры использования ДТФЭ и МТФЭ для выделения органических соединений при анализе объектов окружающей среды, пищевых продуктов и биологических жидкостей. Обобщены обзорные статьи по жидкостной экстракции органических соединений из твердых образцов. Обсуждены различные способы ее осуществления: экстракция в аппарате Сокслета, ультразвуковая экстракция, экстракция в микроволновом поле, экстракция в суб- и сверхкритических условиях (жидкостная экстракция под давлением, экстракция субкритической водой, сверхкритическая флюидная экстракция), метод матричной твердофазной дисперсии и метод QuEChERS. На основании анализа обзорных работ систематизирована информация об особенностях пробоподготовки с помощью этих методов, рассмотрены экспериментальные параметры, влияющие на эффективность экстракции, приведены примеры использования этих методов для выделения органических соединений при анализе твердых объектов окружающей среды, пищевых продуктов и растений. Среди направлений развития современной аналитической химии важное место занимает миниатюризация средств химического анализа и аналитических процедур. Ранее в нашей научной группе была предложена концепция иммобилизованных сорбционных микрозондов, которые представляют собой единичные гранулы сорбента, закрепленные на пластинке-держателе с помощью адгезивного слоя. В сочетании с цветометрией высокого разрешения, этот вариант позволяет проводить определение окрашенных аналитических форм путем регистрации сигнала единичных гранул или их малых массивов. Изучены два варианта использования микрозондов на подложке: в виде плотного массива размером 1х1 мм и в виде массива, где микрозонды дистанцированы друг от друга. Оптимизированы условия регистрации их цветометрических функций с помощью сканера. Разработанный способ определения пищевых красителей с помощью микрозондов на основе оксида алюминия применен для определения пищевых красителей Понсо-4R в напитке и Зеленого прочного в капсулах таблеток. Установлено, что при регистрации сигнала на отдельных гранулах коэффициенты чувствительности градуировочной зависимости координат цвета от концентрации красителя в 3 - 5 раз выше по сравнению с плотным массивом микрозондов. В плане развития данного направления, изучено твердофазно-цветометрическое определение анионных форм окрашенных веществ с применением иммобилизованных сорбционных микрозондов на основе кремнезема, химически модифицированного группами четвертичного аммониевого основания, и оксида алюминия. В качестве аналитов были взяты пищевой краситель Желтый солнечный закат и билирубин. Оптимизированы условия определения данных веществ с помощью микрозондов на основе отдельных (дистанцированных) гранул сорбентов. Область линейности градуировочных зависимостей координат цвета от концентрации находится в диапазоне 1 - 8 мг/л для красителя и 5 - 30 мкМ для билирубина. Предложен сорбционно-спектроскопический способ определения поверхностно-активного вещества бромида цетилтриметиламмония в виде ионного ассоциата с красителем Понсо 4R, заключающийся в сорбции ионного ассоциата с использованием в качестве сорбента гидрофобизированного кремнезема и последующем его определении методом спектроскопии диффузного отражения. Область линейности градуировочной зависимости функции ΔF = f(c) наблюдается в диапазоне 7 - 35 мг/л. Карбоновые кислоты необходимо определять в пищевых продуктах и напитках в ходе контроля их качества. Соотношение концентраций различных карбоновых кислот позволяет судить о происхождении и возможной фальсификации пищевого продукта. Определение карбоновых кислот в природных водах проводят с целью изучения мобилизации микроэлементов почв. На ряде промышленных производств для их нормального функционирования необходимо контролировать содержание карбоновых кислот в технологических растворах. Предложен способ ВЭЖХ-разделения смеси карбоновых кислот (молочной, яблочной, глюконовой, хинной, винной и янтарной) в условиях градиентного элюирования растворами муравьиной кислоты на пористом графитированном сорбенте Hypercarb. Аналиты детектировали с помощью моноквадрупольного масс-спектрометра. Ступенчатый градиент муравьиной кислоты без добавки органического растворителя позволил добиться хорошего разрешения пиков аналитов и снижения пределов обнаружения в 4.4–17.8 раз по сравнению с их разделением в изократических условиях 0.1%-ной муравьиной кислотой. Влияние метанола на разделение аналитов выражено в меньшей степени. В различных областях и особенно в экоаналитике и геохимии для определения ультрамалых количеств редких и рассеянных элементов (Ag, Bi, Cd и др.) в объектах окружающей среды и геологических образцах часто применяют электротермический атомно-абсорбционный (АА) анализ, в том числе твердых проб (порошков, суспензий). В отличие от альтернативного варианта с полным растворением образцов в этом случае снижается возможность загрязнения образцов при контакте с посудой, реагентами, потерь элементов, особенно легколетучих, на стадии разложения. При растворении образцов неизбежно их разбавление, что снижает чувствительность анализа. Предложен новый вариант фракционного испарения порошковых образцов в графитовом тигельном атомизаторе для прямого электротермического атомно-абсорбционного анализа. Зона испарения в тигле дополнена графитовым блоком (контейнером) с ячейками-каналами для разделения и размещения дозируемой массы порошкового образца. Таким образом, изменены условия термического разложения и селективного фракционного испарения органоминеральных образцов и уменьшены помехи в аналитической зоне. Пределы обнаружения элементов снижены, по крайней мере, в 2–5 раз по сравнению с использованием варианта анализа, в котором общая масса образца была традиционно размещена на дне тигля. Относительное стандартное отклонение при определении элементов на кларковом уровне содержаний обычно не превышает 0.20, что вполне удовлетворительно для целей геохимии и геологии. В последние два десятилетия внимание аналитиков-исследователей привлекают так называемые суперпарамагнитные наноразмерные сорбенты, в первую очередь, из-за простоты проведения концентрирования, а также высокой величины поверхности сорбентов, характерной для наноразмерных систем. Манипулирование внешним магнитным полем обеспечивает возможность быстрого и простого разделения фаз на разных этапах сорбционного концентрирования как органических веществ, так и неорганических ионов, что приводит к упрощению самой трудоемкой стадии химического анализа – пробоподготовки. В отличие от статических условий сорбции, при которых есть необходимость разделения фаз на разных этапах концентрирования (после сорбции, промывки, десорбции) в динамических условиях магнитые сорбенты и манипуляции с внешним магнитным полем могут быть эффективно использованы для удерживания сорбента внутри магистрали, по которой протекает поток раствора. Следует отметить, что возможностей для удерживания частиц сорбента нанометрового размера в потоке почти нет, так как размеры каналов фильтрующих устройств намного превышают размеры частиц. Динамическое концентрирование веществ на магнитных наночастицах открывает простые возможности для автоматизации химического анализа и его миниатюризации. Так, концентрирование веществ в капиллярах обычно обеспечивает возможность получения малых объемов концентратов после десорбции, что, в свою очередь, увеличивает коэффициент концентрирования. Предложен простой способ получения магнитных наночастиц магнетита осаждением смешанного гидроксида железа (II, III) последующей модификации наночастиц азотсодержащими реагентами – диэтилентриамином и полиэтиленимином. Показано, что 50 мг наночастиц количественно удерживаются в плоской спиральной колонке (длина капилляра – 60 см), помещенной между двумя кольцевыми NdFeB-магнитами. Для быстрого определения железа(III) и активного хлора предложены тесты нового типа – «массивы микрозон» на бумаге. Каждая микрозона является бинарным тестом, у которого есть два результата: «концентрация аналита выше заданной» и «концентрация аналита ниже заданной». В основу определения железа(III) положена система хромазурол S (ХАЗ) – динатриевая соль этилентетрауксусной кислоты (ЭДТА), определения активного хлора - система N,N-диэтил-п-фенилендиамин (ДФД) - метабисульфит натрия (МБС). Результаты бинарного теста отличаются по цвету: синий/красный для железа(III) и белый/розовый для активного хлора. Для определения метрологических характеристик разработанных бинарных тестов были проведены “слепые” эксперименты с участием нескольких исследователей. При определении железа(III) было проведено 50 опытов, активного хлора - 30. На основе обработки полученных результатов с использованием метрологии бинарного отклика определены чувствительность, селективность и точность разработанных тестов. Для определения железа(III) чувствительность составляет 89 %; селективность 96 %, точность 96 %; для определения активного хлора чувствительность составляет 81 %; селективность 100 %; точность 100 %. Для определения железа(III) в диапазоне 1 - 20 мг/л с приведенными выше характеристиками был предложен массив из 5 микрозон, каждая из которых является бинарным тестом (« 1 мг/л», « 3 мг/л», « 5 мг/л», « 7 мг/л», « 15 мг/л», « 20 мг/л»), объем пробы составлял 10 мкл. Такой массив микрозон позволяет очень быстро (1 мин) получить информацию о содержании железа(III) в природных и сточных водах путем подсчета числа изменивших окраску зон. Для определения активного хлора в диапазоне 0.2-3 мг/л был с приведенными выше характеристиками предложен массив из 3 микрозон, каждая из которых является бинарным тестом («>= 0.2 мг/л», «>= 1 мг/л», «>= 3 мг/л»), объем пробы составлял 10 мкл. Такой массив микрозон позволяет очень быстро (1 мин) получить информацию о содержании активного хлора в питьевой воде путем подсчета числа изменивших окраску зон. Проведена работа по оптимизации электрохроматографической системы для разделения гидрофильных заряженных органических аналитов. Показано, что после предварительного заряжения пористого углеродного графитированного сорбента до потенциала +300 - +400 мВ его свойства сохраняются в потоке подвижной фазы в течение нескольких часов, что позволяет использовать хроматографическую систему для разделения без приложения поддерживающего электрического потенциала. Разработана конструкция установки для удерживания магнитного сорбента во вращающемся магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами. Установка изготовлена с применением 3D печати в лабораторных условиях. Показано, что удерживание сорбента возможно при скоростях потока подвижной фазы до 1.5 мл/мин, что позволяет использовать эту схему для работы в режиме проточно-инжекционного анализа. Показана возможность сорбции и десорбции модельного аналита – сульфаметоксазола – на частицах композитного сорбента «сверхсшитый полистирол – наночастицы магнетита», удерживаемых во вращающемся магнитном поле. Предложен способ микрорентгенофлуоресцентного картирования образцов сложной формы с использованием рентгеновской трубки с поликапиллярной оптикой и сменными апертурами Показано, что при уменьшении входной апертуры до 0.5 мм глубина резкости микроРФА карты увеличивается до 3 мм, что позволяет картировать образцы без предварительной шлифовки и выравнивания поверхности. Установлено, что использование коллиматорной оптики позволяет картировать образцы с перепадами высоты до 15 мм. Предложен способ микрорентгенофлуоресцентного анализа археологической керамики с крупными включениями примесей-отощителей. Способ включает получение микроРФА карт, обработку карт с помощью агломеративного кластерного анализа, формирование усредненных спектров от областей со схожим составом, обработку этих усредненных спектров методом фундаментальных параметров. Растущий спрос на безопасную и экологически безвредную “зеленую” химию является ключевой тенденцией развития современных методов аналитической химии. В частности, развитие методов жидкостной экстракции предполагает переход к новым экстракционным системам, не содержащим традиционных органических растворителей. Альтернативой традиционным гетерогенным системам жидкость-жидкость являются комбинированные растворители (КР) – жидкости, для существования которых обязательно присутствие двух и более типов частиц, молекул или ионов. Среди них актуальны ионные жидкости (ИЖ), двухфазные водные системы (ДФВС), легкоплавкие комбинированные растворители (ЛКР). Составная природа обеспечивает уникальные свойства каждого из классов КР. Направленный выбор компонентов КР позволяет получать растворитель с желаемыми свойствами: гидрофильность/гидрофобность, плотность, вязкость, полярность и т.п. Проблемы, связанные с низкой биоразлагаемостью, биосовместимостью, гидролитической устойчивостью, а также доступностью и экономичностью использования классических диалкилимидазолиевых ИЖ с фторированными анионами можно решить заменой составных частей ИЖ, катионов и анионов, на более доступные, экологически безопасные, в том числе обладающие комплексообразующей способностью. Ионные жидкости на основе катионов четвертичного аммония – диалкилсульфосукцинаты тетраалкиламмония – получены in situ при смешении в водном растворе солей – поставщиков катиона и аниона, составляющих ИЖ, и исследованы для экстракции из водных растворов ионов тяжелых металлов. Установлено, что образование гидрофобной ИЖ происходит при эквимолярном соотношении исходных солей и их суммарной концентрации не ниже n·10^-2 М, которая зависит от растворимости в воде образующейся ИЖ. С увеличением длины алкильного радикала катиона и аниона образование новой фазы, ИЖ, происходит при более низкой суммарной концентрации. Результатами элементного анализа подтверждено образование смешанных солей – продукта неполного замещения бромида исходной соли тетраалкиламмония на диалкилсульфосукцинат R4N(Anx)(Br1-x). Состав смешанной жидкой соли (ИЖ) зависит от исходного соотношения солей, растворимости в воде соли четвертичного аммония и способности образовывать двухфазную систему при добавлении соли к воде. Содержание воды в полученных in situ ИЖ (не ниже 0.7 м.д.) сопоставимо с содержанием воды в предсинтезированных гидрофильно-гидрофобных ИЖ после насыщения. Ионы тяжелых металлов Cd(II), Co(II), Cu(II), Ni(II), Pb(II) и Zn(II) количественно экстрагируются в присутствии с 4-(2-пиридилазо)резорцина (ПАР, 1·10^-3 М) в образующуюся in situ ИЖ на основе катиона тетрагексиламмония при рН 4.9 за 1 мин при соотношении объемов водной и органической фаз 40:1 и 20:1 преимущественно в форме однозарядных частично протонированных анионных комплексов. Показана возможность определения металлов методом атомно-эмиссионной спектрометрии с микроволновой плазмой после экстракции в ИЖ. В качестве разбавителя экстракта предложен изопропанол; пределы обнаружения составили от 2 до 25 мкг/л. Рассчитанные пределы обнаружения для кобальта, меди, никеля, свинца сопоставимы с пределами обнаружения этих элементов, достигаемыми в методах пламенной ААС и АЭС-МП при прямом определении в легких матрицах; для всех элементов пределы обнаружения после экстракционного концентрирования в образующуюся in situ ИЖ оказались ниже, чем при прямом определении этих элементов в морской воде. Предварительное экстракционное концентрирование позволило снизить влияние матричных компонентов, пределы обнаружения исследованных металлов по сравнению с определением в морской воде и расширить возможности метода для анализа растворов с высокой засоленностью. ДФВС, представляющие собой комбинацию органическая соль/неорганическая соль, на основе симметричных и несимметричных галогенидов тетралкиламмония (R’R’R”R’’’NHal), а также на основе катионного и анионного ПАВ получены и исследованы для экстракции РЗЭ. Установлены границы области фазового расслоения и оптимальные условия получения новых ДФВС для количественного извлечения и концентрирования РЗЭ (10–5000 мкг/л): суммарная концентрация компонентов ДФВС (с(R’R’R”R’’’NHal+ NaХ) = 0.016––0.8 М) и соотношение молярных концентраций компонентов R’R’R”R’’’NHal+: NaX (от 3:1 до 1:3), рН (5–8), соотношение объемов фаз, время контакта фаз (не более 10 мин). Продемонстрирована возможность определения РЗЭ методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в пробах поверхностных и морских вод после групповой реэкстракции растворами азотной кислоты. Экстракционное концентрирование РЗЭ в новых ДФВС с последующей реэкстракцией обеспечивает устранение матричных эффектов и повышает чувствительность определения РЗЭ в сложных по составу образцах. Отмечено снижение пределов обнаружения для ряда РЗЭ (Tb, Ho, Tm и Lu) в 15–25 раз по сравнению с пределами обнаружения в 0.05 М азотной кислоте. Новая экстракционная система на основе КПАВ, хлорида бензетония (BztCl) и АПАВ, дигексилсульфосукцината натрия (NaDHSS) исследована для экстракции РЗЭ. Образование ДФВС происходит при эквимолярном соотношении BztCl/NaDHSS и общей концентрации ПАВ 0.05-0.20 М и при 0.45 ≤ χ xBztCl ≤ 0.55 (BztCl/NaDHSS). На примере экстракции празеодима(III) показано, что извлечение РЗЭ количественное при рН 3.8 - 9 в присутствии 0.1 мМ Арсеназо III. Время установления экстракционного равновесия не превышает одной минуты. Спектры поглощения органических фаз подтверждают извлечение РЗЭ в виде комплексов с Арсеназо. С использованием подходов предстационарной ферментативной кинетики методом остановленной струи исследована кинетика восстановления нанозимов (берлинской лазури до каталитически активной формы берлинского белого) различного размера (от 30 до 190 нм) в присутствии субстратов с различной восстанавливающей способностью (желтой кровяной соли, гидрохинона, катехола). Установлено, что в зависимости от размера нанозимов начальная скорость их восстановления может меняться в пределах нескольких порядков величины, что обусловлено ограниченной диффузией субстратов в объем наночастиц. При этом относительное изменение начальной скорости тем существеннее, чем ниже редокс-потенциал субстрата: при увеличении размера нанозима от 30 до 190 нм скорость его восстановления в присутствии желтой кровяной соли снижается более чем в 30 раз, в присутствии гидрохинона – до 10 раз, в присутствии катехола – до 2.5 раз. Редокс-потенциал и концентрация восстанавливающего субстрата также определяют полноту восстановления берлинской лазури до каталитически активной формы берлинского белого: предельная доля берлинского белого во всем диапазоне концентраций восстанавливающего субстрата выше для случая желтой кровяной соли, чем для катехола. При этом концентрация, соответствующая наполовину восстановленному катализатору, составляет 1 мМ в случае желтой кровяной соли и 15 мМ в случае катехола. Применение метода остановленной струи позволило оценить бимолекулярные константы скорости восстановления нанозима субстратом (k1): ~5·10^9 М^-1·с^-1 для желтой кровяной соли и ~6·10^8 М^-1·с^-1 для гидрохинона. Полученные значения на порядок величины выше, чем константы скорости бимолекулярной реакции взаимодействия нанозим-субстратного комплекса с Н2О2 (скорость-лимитирующей стадии каталитического цикла, определенной ранее с использованием подходов стационарной ферментативной кинетики). По порядку величины эти константы согласуются с оценкой, проведенной ранее на основе данных стационарной кинетики по отношению каталитической константы к константе Михаэлиса (~10^9 М^-1·с^-1).
5 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Создание функциональных материалов, высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов
Результаты этапа: В рамках этапа будут созданы новые функциональных материалов, предложены пути обеспечивающие развитие высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов.
6 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Создание функциональных материалов, высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов
Результаты этапа: Будут созданы новые функциональные материалы, предложены пути их интеграции в высокоэффективные способы и средства химического анализа, а также проведена их апробация для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов.
7 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. Создание функциональных материалов, высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов
Результаты этапа: Будут предложены новые функциональные материалы для химического анализа, изучены их аналитические возможности, а также разработаны способы и средства химического анализа на их основе для решения актуальных задач аналитической химии, в частности для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов.
8 1 января 2028 г.-31 декабря 2028 г. Создание функциональных материалов, высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов
Результаты этапа: Будет проведена разработка оригинальных функциональных материалов, предназначенных для химического анализа. Новые материалы будут охарактеризованы с применением современных методов анализа вещества, будут оценены их аналитические возможности. На основании полученных данных будут разработаны способы и средства химического анализа для целей аналитической химии. В частности будут предложены новые аналитические решения для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".