![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Эффективность и быстрота перехода к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения во многом зависит от состояния в сфере аналитического контроля и мониторинга биологически активных веществ (лекарственных препаратов, гормонов, маркеров заболеваний, токсинов и др.) в различных биологических и медицинских объектах, лекарственных препаратах и объектах потребления и производства. В свою очередь, развитие этой сферы определяется наличием эффективных, чувствительных и вместе с тем простых и недорогих методов химического анализа, пригодных для массового использования. В рамках предлагаемого проекта будет реализовано изучение и разработка фундаментальных аспектов нанохимии неорганических частиц с целью создания новых оптимизированных наноаналитических систем для определения биологически активных веществ. Объектами исследования будут служить наносистемы на основе наночастиц металлов, оксидов и их композитов с полимерами, обладающие характерными функциональными свойствами (оптическими, магнитными, сорбционными и др.), обусловливающими возможность их эффективного использования в химическом анализе биологически активных веществ. В ходе выполнения проекта будет осуществлен поиск, изучение и сравнение новых наноаналитических систем; будут выявлены закономерности реализации в них значимых для аналитической химии эффектов в присутствии биологически активных веществ разного типа; будут выбраны рычаги управления аналитическими характеристиками наносистем, позволяющие осуществить их оптимизацию для решения конкретных задач персонализированной медицины, высокотехнологичного здравоохранения и технологий здоровьесбережения; будут предложены и охарактеризованы с использованием современных инструментальных методов исследования новые нанокомпозиты на основе неорганических наночастиц и полимеров для выделения, концентрирования и определения биологически активных веществ. По итогам выполнения проекта будут получены новые данные о фундаментальных аспектах нанохимии неорганических частиц и разработаны простые и эффективные методики определения биологически активных веществ для решения задач персонализированной медицины, высокотехнологичного здравоохранения и технологий здоровьесбережения.
Efficiency and rapidness of the transition to personalized medicine, high-tech health care and health saving technologies largely depends on state of the art in the analytical control and monitoring of biologically active substances (drugs, hormones, markers of diseases, toxins, etc.) in various biological and medical samples, drugs and objects of consumption and production. At the same time, the development of this field is determined by the availability of effective, sensitive and also simple and inexpensive methods of chemical analysis, which are suitable for a large-scale use. In the proposed project, study and development of fundamental aspects of the inorganic particles nanochemistry will be realized with the aim of creating new optimized nanoanalytical systems for the determination of biologically active substances. The subjects of the research will be nanosystems based on metal nanoparticles, oxides and their composites with polymers, which have specific functional properties (optical, magnetic, sorption, etc.), making it possible to use them effectively in the chemical analysis of biologically active substances. During the project implementation, the search, study and comparison of new nanoscale systems will be carried out; the relationships in realization of significant for analytical chemistry effects in the presence of biologically active substances of various types will be revealed; the methods of adjusting analytical characteristics of nanosystems will be chosen, allowing them to be optimized for the specific tasks of personalized medicine, high-tech health care and health saving technologies; new nanocomposites based on inorganic nanoparticles and polymers for isolation, preconcentration and determination of biologically active substances will be proposed and characterized using modern instrumental research methods. Based on the results of the project, new data on fundamental aspects of inorganic particles nanochemistry will be obtained, and simple and effective methods for determination of biologically active substances for solving the problems of personalized medicine, high-tech health care and health saving technologies will be developed.
Общий план работ на весь срок выполнения проекта включает: 2018–2019 гг - Поиск и сравнение наноаналитических систем на основе неорганических частиц, перспективных с точки зрения решения проблем определения биологически активных веществ методами спектрофотометрии, спектроскопии диффузного отражения, цветометрии и визуальной колориметрии. - Синтез и характеризация наночастиц различного типа, изучение возможностей их функционализации. - Разработка способов синтеза новых нанокомпозитов на основе наночастиц различного типа и полимеров (пенополиуретана, сверхсшитого полистирола, целлюлозы и др.) с целью создания твердофазных наноаналитических систем. 2019–2020 гг - Детальное изучение наноаналитических систем и установление взаимосвязей между фундаментальными аспектами их нанохимии и их аналитически значимыми свойствами (оптическими, магнитными, сорбционными). - Получение новых научных данных о фундаментальных аспектах нанохимии неорганических частиц металлов, оксидов металлов и нанокомпозитов на основе этих наночастиц и полимеров. 2020–2021 гг - Выявление рычагов управления проявлением аналитически значимых эффектов и свойств в наноаналитических сисемах с целью их оптимизации для решения конкретных задач. - Разработка методик определения биологически-активных веществ (в том числе катехоламинов, пероксидов, тиосоединений) с помощью оптимизированных наноаналитических систем.
Руководитель проекта работает в области наноаналитической химии, а также сорбционного концентрирования, молекулярной абсорбционной и твердофазной спектроскопии в течение ряда лет. Предложено большое число новых подходов к концентрированию и определению соединений (в том числе биологически активных), созданы новые сорбенты, накоплен значительный материал о характеристиках сорбентов, разработаны различные варианты аналитического использования этих сорбентов, в том числе гибридные сорбционно-спектроскопические методы и тест-методы анализа. К настоящему моменту научный задел по теме проекта состоит в том, что разработаны новые способы синтеза наночастиц золота и серебра, в частности наночастиц, стабилизированных поликатионами. Предложены пути получения нанокомпозитных материалов на основе некоторых наночастиц металлов и сорбентов (пенополиуретана, сверхсшитого полистирола). Предложен альтернативный подход к изучению резонансных оптических свойств наночастиц в на твердых матрицах с использованием мини-спектрофотометра – калибратора мониторов. Выявлены некоторые особенности химии наночастиц в растворе и на поверхности пенополиуретана, в частности особенности формирования, разрушения и агрегации в присутствии различных веществ. Предложен ряд новых реагентов и сорбентов на основе наночастиц для целей химического анализа и разработаны способы определения некоторых органических веществ и анионов.
Проведен поиск и сравнение наноаналитических систем на основе наночастиц золота и серебра, а также их нанокомпозитов с целью выбора наиболее перспективных с точки зрения определения биологически активных веществ методами спектрофотометрии, спектроскопии диффузного отражения, цветометрии и визуальной колориметрии. В качестве перспективных нанообъектов для разработки методик определения биологически активных веществ предложены наночастицы золота и серебра, характеризующиеся цилиндрической и треугольной морфологией. В качестве основы твердофазных аналитических средств предложены полимерные матрицы, такие как пенополиуретан (для создания оптических сенсоров) и сверхсшитый полистирол (как основа для создания высокоэффективных магнитных сорбционных материалов). Изучено взаимодействие треугольных нанопластинок серебра со структурно-родственными тиолами, отличающимися природой и свойствами функциональных групп. Показано, что в результате такого взаимодействия происходит агрегация треугольных нанопластинок и увеличение радиуса кривизны их углов. Разработан спектрофотометрический способ определения тиолов с пределами обнаружения 0,002 – 0,009 мг/л. Изучены возможности треугольных нанопластинок серебра для простого и быстрого спектрофотометрического определения нейротрансмиттеров (адреналин, допамин) и их метаболитов (гомованилиновая кислота, ванилилминдальная кислота). Аналитическим сигналом может служить изменение положения или интенсивности полосы поглощения в максимуме соответственно. Наблюдаемые спектральные изменения, линейно связанные с концентрацией катехоламинов и их метаболитов в водном растворе, положены в основу способов их спектрофотометрического определения. Пределы обнаружения катехоламинов и их метаболитов в подобранных оптимальных условиях уменьшаются в ряду гомованилиновая кислота > норадреналин > допамин > адреналин > ванилилминдальная кислота и составляют 220, 130, 4, 3 и 1 мкМ соответственно. Показано, что морфологические и агрегативные трансформации треугольных нанопластинок серебра, происходящие в результате восстановления на их поверхности серебра из ионов серебра, могут быть применены для определения биологически активных восстановителей и антиоксидантов, таких как аскорбиновая кислота и кверцетин. Разработаны способы синтеза новых нанокомпозитов на основе наночастиц металлов различного типа и пенополиуретана с целью создания твердофазных наноаналитических систем для определения биологически активных веществ методом спектроскопии диффузного отражения и визуальной колориметрии. Разработана схема получения пенополиуретана, модифицированного борогидридом, который можно использовать для определения биологически активных веществ, влияющих на формирование нанокомпозитов металлов. Установлено, что присутствие тиосоединений или аминов на стадии формирования наночастиц приводит к уменьшению полосы поверхностного плазмонного резонанса, что можно использовать для определения веществ методом спектроскопии диффузного отражения. Разработанные способы определения биологически активных веществ указанных классов характеризуются пределами обнаружения 0,7–1,5 мкМ. Обоснована перспективность использования для концентрирования биологически активных веществ-нейротрансмиттеров магнитных нанокомпозитов на основе сверхсшитого полистирола. Предложено использовать сверхсшитый полистирол и магнитный сверхсшитый полистирол для группового сорбционного концентрирования катехоламинов. Предварительное сорбционное концентрирование позволило снизить пределы обнаружения катехоламинов более чем в 20 раз. Они составили для допамина 0.7 нг/мл и для норадреналина и адреналина 1 нг/мл. Изучено взаимодействие нанокомпозитов на основе пенополиуретана и наностержней золота, модифицированных нитратом серебра, с катехоламинами – адреналином, дофамином, норадреналином и добутамином. Зависимость величины сдвига коротковолнового максимума наностержней золота на пенополиуретане от концентрации катехоламинов имеет линейный вид в области 0 – 10 мкМ, что положено в основу способов их определения методом спектроскопии диффузного отражения. Пределы обнаружения адреналина, добутамина, норадреналина и дофамина составляют 0,4, 0,4, 0,3 и 0,3 мкМ соответственно. Выявлены взаимосвязи между фундаментальными аспектами нанохимии разработанных наноаналитических систем и их оптическими и аналитическими свойствами. В частности, показано, что наиболее активной в химическом отношении морфологической модификацией наночастиц серебра (как в растворе, так и в матрице нанокомпозитного материала) являются треугольные нанопластинки. Еще одним примером выявленных взаимосвязей является уменьшение активности наночастиц, и, следовательно, чувствительности наноаналитических систем на их основе, при их иммобилизации на полимерах. Этот эффект можно использовать для управления селективностью разрабатываемых методик, а также для создания более устойчивых твердофазных средств анализа (тест-средств, твердых аналитических форм). На примере сферических наночастиц серебра показана большая роль природы и заряда стабилизатора наночастиц на аналитические свойства разрабатываемых с их использованием методик. Разработаны способы, позволяющие определять пероксид водорода, перуксусную кислоту, м-хлорпербензойную кислоту и трет-бутилгидропероксид с пределами обнаружения 0,1, 0,04, 0,3 и 0,3 мкг/мл соответственно. Разработана концепция сборных микрофлюидных систем, в том числе с наночастицами серебра, которые представляют собой отдельные бумажные дисковые элементы, закрепленные на адгезионной подложке. Конструкция таких систем может быть легко видоизменена в зависимости от решаемой задачи. Оценены аналитические характеристики определения флавоноидов с помощью сборных микрофлюидных систем на основе бумаги. Показана возможность снижения пределов обнаружения при использовании в составе микрофлюидной системы дополнительной зоны с магнитно-закрепленным сверхсшитым полистиролом для концентрирования аналитов из относительно больших объемов пробы. Нанокомпозиты целлюлозы с треугольными нанопластинками серебра предложены также в качестве чувствительного элемента для определения галогенидов в одной пробе в варианте динамической газовой экстракции. Отличие предлагаемого метода состоит в том, что он позволяет определять все основные галогениды в одной пробе. Помимо треугольных нанопластинок серебра, в ходе экспериментов изучена возможность применения классических реагентов для определения окислителей. Пределы обнаружения иодида, бромида и хлорида составляют 0,01, 0,02 и 0,04 мг/л соответственно.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 30 июня 2018 г.-30 июня 2019 г. | Изучение и разработка фундаментальных аспектов нанохимии неорганических частиц с целью создания новых оптимизированных наноаналитических систем для определения биологически активных веществ |
Результаты этапа: По итогам выполнения данного этапа проекта изучены несколько типов наноаналитических систем на основе наночастиц металлов с поверхностным плазмонным резонансом для определения биологически активных веществ методами спектрофотометрии, спектроскопии диффузного отражения, цветометрии и визуальной колориметрии. Изученные наноаналитические системы включают коллоидные растворы наночастиц различной морфологии и функционализированные различными модификаторами, а также нанокомпозитные материалы на основе наночастиц и полимеров. Осуществлен синтез и характеризация наночастиц металлов (золота и серебра) различного типа и морфологии – сферических наночастиц золота, сферических наночастиц серебра, наностержней золота, треугольных нанопластинок серебра. Синтезированные наночастицы охарактеризованы методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, а также электронной дифракции. Проведено изучение возможности их функционализации модификаторами различной природы – анионами (цитрат), катионами (цетилтриметиламмоний) и полимерами (поливинилпирролидон). Проведен поиск и сравнение наноаналитических систем на основе синтезированных наночастиц с целью выбора наиболее перспективных с точки зрения определения биологически активных веществ методами спектрофотометрии, спектроскопии диффузного отражения, цветометрии и визуальной колориметрии. Так, в частности, показано, что хорошими перспективами обладают треугольные нанопластинки серебра, стабилизированные цитратом и поливинилпирролидоном (средняя длина ребра – 50 нм). Их коллоидные водные растворы устойчивы, благодаря высокому отрицательному заряду на поверхности наночастиц (величина дзета-потенциала около –30 мВ) и характеризуются интенсивной полосой поглощения в области 600–650 нм. Установлено, что треугольные нанопластинки серебра морфологически лабильны, вследствие повышенной поверхностной энергии в вершинах нанокристаллов, а также энергетически выгодной возможности плоскопараллельной ориентации нанопластинок друг относительно друга при агрегации. Как изменение морфологии, так и агрегативного состояния этих нанообъектов может быть использовано для разработки способов определения биологически активных веществ. Разработаны способы синтеза новых нанокомпозитов на основе наночастиц металлов различного типа и пенополиуретана с целью создания твердофазных наноаналитических систем для определения биологически активных веществ методом спектроскопии диффузного отражения и визуальной колориметрии. Показано, что для этих целей можно эффективно использовать сорбционный метод, основанный на извлечении наночастиц из коллоидного водного раствора пенополиуретаном в статическом режиме. Таким способом могут быть получены композиты наночастиц различной природы и морфологии – сферических наночастиц золота, наностержней золота, треугольных нанопластинок серебра. Показано, что способ применим к наночастицам, функционализированным различными модификаторами и обладающих разным зарядом. В случае высокого дзета-потенциала наночастиц предложен способ увеличения степени сорбции, основанный на добавлении к раствору наночастиц электролита-дестабилизатора. Помимо пенополиуретана, синтезированы нанокомпозиты на основе треугольных нанопластинок серебра и целлюлозы. Проведен синтез лабораторных образцов нанокомпозитов на основе пенополиуретана и целлюлозы и их характеризация методами сканирующей электронной микроскопии и спектроскопии диффузного отражения. Выявлены некоторые взаимосвязи между фундаментальными аспектами нанохимии разработанных наноаналитических систем и их оптическими и аналитическими свойствами. В частности, показано, что наиболее активной в химическом отношении морфологической модификацией наночастиц серебра (как в растворе, так и в матрице нанокомпозитного материала) являются треугольные нанопластинки. Анизотропия их формы позволяет использовать для достижения максимального аналитического эффекта при взаимодействии с биологически активными веществами как процессы агрегации, так и изменения морфологии треугольных нанопластинок. При этом оптические эффекты поверхностного плазмонного резонанса для них проявляются в длинноволновой области видимого спектра, что перспективно для разработки цветометрических и визуально-колориметрических методов анализа. Еще одним примером выявленных взаимосвязей является уменьшение активности наночастиц, и следовательно чувствительности наноаналитических систем на их основе, при их иммобилизации на полимерах. Этот эффект можно использовать для управления селективностью разрабатываемых методик, а также для создания более устойчивых твердофазных средств анализа (тест-средств, твердых аналитических форм). Оценены возможности использования указанных нанокомпозитов в роли твердофазных реагентов и аналитических форм в целях химического анализа биологически активных веществ. Так, к настоящему моменту изучена возможность применения целлюлозы, модифицированной треугольными нанопластинками серебра, в роли чувствительного элемента сенсора. Использование такого сенсора в составе оригинальной установки для динамической газовой экстракции позволило разработать способ селективного определения иодидов с пределом обнаружения 0,01 мг/л и в диапазоне 0,03–0,3 мг/л. Способ основан на количественном мягком окислении иодидов до молекулярного иода железом(III) и последующей газовой экстракции воздухом, транспортирующим иод через слой нанокомпозита. Регистрация аналитического сигнала осуществляется методом цифровой цветометрии с использованием сканера. Способ хорошо зарекомендовал себя при анализе вод разного типа, образцов пищевых продуктов. | ||
2 | 1 июля 2019 г.-30 июня 2020 г. | Изучение и разработка фундаментальных аспектов нанохимии неорганических частиц с целью создания новых оптимизированных наноаналитических систем для определения биологически активных веществ |
Результаты этапа: За отчетный период продолжены работы, направленные на детальное изучение наноаналитических систем в рамках перспективных направлений химического анализа и выявление взаимосвязей между фундаментальными аспектами нанохимии частиц, а также их композитов, и их аналитически значимыми свойствами (оптическими, магнитными, сорбционными). В частности, изучены нанокомпозиты пенополиуретана с наностержнями золота в качестве наноаналитических систем для определения нейромедиаторов. Оптимизирован сорбционный способ получения нанокомпозитов на основе пенополиуретана и наностержней золота. Показано, что эффективное модифицирование полимера наностержнями может быть достигнуто только при соответствующей их дестабилизации и уменьшении электрокинетического потенциала, препятствующего преодолению границы раздела фаз. Так, из растворов, содержащих 0.2 М HCl или NaCl, наностержни золота сорбируются практически количественно. Щелочные агенты вызывают агрегацию наностержней, что делает их использование в качестве вспомогательных электролитов нецелесообразным. Эффективнее всего наностержни сорбируются в присутствии ионов Li и Cl, удовлетворительно в присутствии ионов Na, K и нитрата. Убывание степени сорбции наностержней в рядах Li(I) > Na(I) > K(I) и нитрат > хлорид соответствует уменьшению коагулирующей способности ионов, что подтверждает важную роль снижения значения электрокинетического потенциала наностержней для обеспечения их сорбции на пенополиуретане. Установлено, что важную роль для получения нанокомпозитов наностержней золота и пенополиуретана играет очистка смеси для сорбции от избытка стабилизатора – бромида цетилтриметиламмония. Так, для очищенных путем двукратного центрифугирования и промывки наностержней золота наблюдается увеличение степени извлечения на пенополиуретане с 87 до 95 %. Получены фундаментальные параметры сорбции наностержней золота на пенополиуретане. Показано, что кинетика сорбции описывается лучше всего кинетической моделью псевдопервого порядка с константой скорости сорбции 0,17 1/мин при концентрации НСт 14 мкг/мл. Изотерма сорбции наностержней отвечает модели Ленгмюра. Значение предельной сорбции = 15 мг/г, константа сорбции K = 0,394 л/мг = 77600 л/моль Au, а свободная энергия Гиббса составляет -28 кДж/моль Au. Морфология полученных нанокомпозитов на основе пенополиуретана и наностержней золота охарактеризована методом сканирующей электронной микроскопии. Наностержни расположены на поверхности как по отдельности, так и в виде небольших агрегатов, размером не более 100 нм. Подобное распределение выгодно для оптических аналитических систем с точки зрения сохранения резонансных оптических свойств индивидуальных частиц и вместе с тем обеспечения их доступности для соединений, с которыми контактирует модифицированный полимер. Изучены спектральные характеристики нанокомпозитов. В их спектрах присутствуют характерные полосы поверхностного плазмонного резонанса наностержней золота, растущие с увеличением их содержания на полимере. Зависимость функции Кубелки-Мунка в максимуме поглощения нанокомпозитов от величины удельной адсорбции линейна, что можно использовать для выбора содержания наностержней, необходимого для получения наноаналитических систем с требуемой интенсивностью спектральных полос. Разработаны подходы к созданию наноаналитических систем на основе наностержней золота и пенополиуретана для определения биологически активных веществ – нейромедиаторов. Для этого предложено осуществлять модифицирование композитов наностержней золота с пенополиуретаном нитратом серебра в роли металл-содержащего редокс реагента. В результате модифицирования наблюдается батохромный сдвиг обоих максимумов полос поверхностного плазмонного резонанса в спектрах диффузного отражения образцов и увеличение функции Кубелки-Мунка во всем диапазоне длин волн. Согласно гистограммам распределения наностержней на полимере по размерам, при модифицировании происходит увеличение их средней длины. Также на микрофотографии нанокомпозита, модифицированного нитратом серебра, наблюдается присутствие сферических частиц, сформировавшихся на торцах наностержней и представляющих собой, вероятно, наночастицы серебра. Полученные в данной работе нанокомпозиты, модифицированные нитратом серебра, представляют собой удобную в использовании твердофазную форму наноаналитического реагента для определения таких нейромедиаторов, как катехоламины. Главными его достоинствами является удобство в использовании и хранении твердой аналитической формы, а также отсутствие необходимости точного дозирования вспомогательных реагентов (нитрата серебра). Для регистрации аналитического сигнала пригодны методы твердофазной спектроскопии или цветометрии, в том числе различные варианты цифровой цветометрии, получившей особую популярность в последнее время. Изучено взаимодействие нанокомпозитов на основе пенополиуретана и наностержней золота, модифицированных нитратом серебра, с катехоламинами – адреналином, дофамином, норадреналином и добутамином. Оно сопровождается гипсохромным сдвигом обоих максимумов в спектре диффузного отражения нанокомпозита и увеличением интенсивности полос поверхностного плазмонного резонанса. В результате взаимодействия с катехоламинами происходит изменение размера и формы наностержней золота. Наблюдается увеличение длины и диаметра частиц, которое свидетельствует о формировании на поверхности наностержней золота слоя серебра. Предполагаемая схема взаимодействия включает окисление катехольного фрагмента соединения ионами серебра с образованием орто-хиноидной структуры и осаждение металлического серебра на поверхности наностержней. Показано, что скорость взаимодействия увеличивается в ряду адреналин < дофамин < норадреналин < добутамин. В качестве характеристики глубины протекания взаимодействия и аналитического сигнала предложено использовать величину сдвига коротковолнового максимума в спектре диффузного отражения нанокомпозита. Оптимизированы условия модифицирования нанокомпозитов и проведения взаимодействия с катехоламинами. Нанокомпозиты следует модифицировать из 5 мл 1 мМ раствора нитрата серебра в течение 10 мин; взаимодействие с катехоламинами проводить при рН 8 – 10 в течение 30 мин. Зависимость величины сдвига коротковолнового максимума наностержней золота на пенополиуретане от концентрации катехоламинов имеет линейный вид в области 0 – 10 мкМ, что положено в основу способов их определения методом спектроскопии диффузного отражения. Пределы обнаружения адреналина, добутамина, норадреналина и дофамина составляют 0,4, 0,4, 0,3 и 0,3 мкМ соответственно. Показано, что увеличение объема реакционной смеси при необходимости можно использовать для увеличения чувствительности определения. Например, при увеличении объема с 5 до 25 мл, предел обнаружения адреналина снижается с 0,4 до 0,2 мкМ. Важным фундаментальным аспектом, который нужно учитывать при рассмотрении механизмов формирования аналитического сигнала в наноаналитических системах и способов управления им в интересах аналитической химии является морфология наночастиц. Этот аспект рассмотрен на примере нанокомпозитов пенополиуретана и применительно к определению катехоламинов. Для этого помимо нанокомпозитов на основе наностержней рассмотрены нанокомпозиты сферических наночастиц золота. Установлено, что чувствительность определения катехоламинов с использованием нанокомпозитов на основе сферических наночастиц на порядок хуже определения при использовании нанокомпозитов на основе наностержней, что связано с плохой воспроизводимостью положения максимума ППР в контрольном опыте. По итогам данной работы предложены новые способы определения катехоламинов с помощью композитов наностержней золота и пенополиуретана. По сравнению с водным коллоидным раствором наностержней, данные аналитические системы характеризуются повышенной селективностью по отношению к неорганическим ионам. Определение катехоламинов возможно в присутствии 1000-кратных количеств гидрокарбонат-, сульфат и хлорид-ионов, а также катионов щелочных металлов, и 100-крастных количеств ионов кальция и магния, а также валина, серина, аланина, глицина, уксусной кислоты и крахмала. Продолжены исследования, направленные на получение новые научные данные об аспектах нанохимии и аналитических возможностях нанокомпозитов на основе сверхсшитого полистирола и магнитных наночастиц оксида железа(II,III) в решении задач концентрирования биологически активных веществ. Помимо магнитных сорбентов на основе полимера, разработан способ получения и синтезированы лабораторные образцы магнитных сорбентов на основе неорганической матрицы – цеолита. Показано, что магнитные сорбенты на основе цеолита обладают хорошими сорбционными характеристиками по отношению к ароматическим серосодержащим соединениям (на примере бензотиофена) при их концентрировании из водных сред. Тем не менее, установлено, что в отношении таких биологически активных веществ, как нитрофураны, сорбенты на основе неорганической матрицы оказываются малоэффективными. В связи с этим начаты работы по изучению возможностей концентрирования соединений этого класса на магнитных сорбентах на основе сверхсшитого полистирола. В результате проведенных в рамках проекта исследований, показано, что данные магнитные сорбенты обладают хорошими сорбционными характеристиками по отношению к нейромедиаторам класса катехоламинов. Это является следствием высокой эффективности извлечения катехоламинов сверхсшитым полистиролом. Предложено использовать сверхсшитый полистирол для группового сорбционного концентрирования катехоламинов. Оптимизированы условия концентрирования норадреналина, адреналина и допамина на микроколонке, заполненной сверхсшитым полистиролом. Масса сорбента составляла 0.03 г. Концентрирование проводили из 25 мл раствора. Максимальная эффективность концентрирования достигается при pH ∼ 8.5 и скорости пропускания раствора 1.0 мл/мин. Соединения десорбируются 1 мл 6 М уксусной кислоты, после чего могут быть определены в элюате методом обращенно-фазовой ВЭЖХ с амперометрическим детектором. Предварительное сорбционное концентрирование позволило снизить пределы обнаружения катехоламинов более чем в 20 раз. Они составили для допамина 0.7 и для норадреналина и адреналина 1 нг/мл. Методика применена для анализа модельных смесей на основе мочи. Изучены возможности треугольных нанопластинок серебра для простого и быстрого спектрофотометрического определения нейротрансмиттеров (адреналин, допамин) и их метаболитов (гомованилиновая кислота, ванилилминдальная кислота). Установлено, что взаимодействие треугольных нанопластинок серебра с адреналином, норадреналином и допамином сопровождается гипсохромным сдвигом полосы поверхностного плазмонного резонанса наночастиц и изменением окраски растворов, в то время как при взаимодействии с гомованилиновой и ванилилминдальной кислотами происходит уменьшение ее интенсивности. Аналитическим сигналом может служить изменение положения или интенсивности полосы поглощения в максимуме соответственно. Предполагаемый механизм взаимодействия треугольных нанопластинок серебра с данными веществами состоит в изменении геометрических параметров и степени агрегации наночастиц под действием аналитов. По данным просвечивающей электронной микроскопии, частицы после взаимодействия представляют собой наносферы или нанодиски. При прочих равных условиях, максимальное значение аналитического сигнала наблюдается в том случае, если молекула содержит катехольный фрагмент и электронодонорный заместитель, находящийся в пара-положении по отношению к одной из гидроксильных групп. Наблюдаемые спектральные изменения, линейно связанные с концентрацией катехоламинов и их метаболитов в водном растворе, положены в основу способов их спектрофотометрического определения. Изучено влияние pH, времени и концентраций реагирующих веществ на взаимодействие. Пределы обнаружения катехоламинов и их метаболитов в подобранных оптимальных условиях уменьшаются в ряду гомованилиновая кислота > норадреналин > допамин > адреналин > ванилилминдальная кислота и составляют 220, 130, 4, 3 и 1 мкМ соответственно. Предложенный в работе способ спектрофотометрического определения адреналина с помощью треугольных нанопластинок серебра применен для анализа лекарственного препарата «Эпинефрин» (раствор для инъекций, 1 мг/мл адреналина) и модельных растворов, приготовленных на основе искусственной мочи с добавкой адреналина. Проведены исследования по изучению возможности определения биологически активных веществ по их влиянию на формирование нанокомпозитов наночастиц металлов. Разработана схема эксперимента, включающая две стадии. На первой стадии проводили сорбцию восстановителя – борогидрида натрия – на пенополиуретане из раствора, содержащего гидроксид натрия в качестве стабилизатора и бромид цетилтриметиламмония в роли ион-парного реагента. В результате этого получали пенополиуретан, модифицированный борогидридом. Этот материал был получен нами впервые. По сути, он представляет собой новую форму широко известного восстановителя для синтеза наночастиц. На второй стадии проводили взаимодействие модифицированного борогидридом полимера с золотохлористоводородной кислотой или нитратом серебра, приводящее к образованию нанокомпозитов пенополиуретана с золотом или серебром соответственно. С целью установления влияния биологически активных веществ, в качестве которых изучен ряд тиосоединений и аминов, их вводили в водный раствор на второй стадии описанной процедуры. Оптимизированы условия проведения синтеза нанокомпозитов, детально изучены их свойства. Высказано предположение о важной роли пенополиуретана, в качестве твердофазного стабилизатора наночастиц, при их синтезе данным способом. Данная система может быть использована не только для получения нанокомпозитов, но и наночастиц в растворе. Установлено, что присутствие тиосоединений или аминов на стадии формирования наночастиц приводит к уменьшению полосы поверхностного плазмонного резонанса, что можно использовать для определения веществ методом спектроскопии диффузного отражения. | ||
3 | 1 июля 2020 г.-30 июня 2021 г. | Изучение и разработка фундаментальных аспектов нанохимии неорганических частиц с целью создания новых оптимизированных наноаналитических систем для определения биологически активных веществ |
Результаты этапа: Изучены особенности нанохимии аналитических систем на основе наночастиц золота и серебра, в которых возникновение аналитического сигнала сопряжено с формированием наночастиц, и показаны возможности их применения для определения биологически активных веществ (тиосоединений и аминов). В рамках этого направления изучены процессы стабилизации наночастиц, формирующихся в фазе нанокомпозита на основе пенополиуретана. Схема эксперимента включала взаимодействие пенополиуретана, модифицированного борогидридом натрия, с разбавленными растворами золотохлористоводородной кислоты в присутствии веществ, влияющих на формирование наночастиц золота – аминов и тиосоединений. Модифицирование таблеток пенополиуретана проводили в 0,01 М растворе борогидрида натрия и 0,01 М растворе гидроксида натрия, содержащем 0,0001 М бромид цетилтриметиламмония в качестве противоиона. Далее проводили взаимодействие модифицированных образцов с раствором золотохлористоводородной кислоты (20 мкг/мл по золоту). Показано, что присутствие на этой стадии тиосоединений и аминов приводит к уменьшению выхода наночастиц и изменению спектральных характеристик нанокомпозитов (интенсивность полосы поверхностного плазмонного резонанса уменьшается). Этот эффект положен в основу способа определения веществ данных классов, в частности меламина. В последние годы меламин привлек к себе внимание благодаря серии широко освещаемых инцидентов, связанных с безопасностью пищевых продуктов, что делает разработку методик его определения актуальной. Высказано предположение о механизме влияния меламина, а также некоторых других аминов, и тиосоединений на формирование наночастиц в этих системах и принцип возникновения аналитического сигнала. Амин (тиол) стабилизирует наночастицы золота за счет координации поверхностных атомов золота наночастиц и аминогрупп (тиольных групп), что влечет за собой уменьшение степени их сорбции на поверхности полимера. Появление стабилизированных НЧ в растворе проявляется в возникновении слабой розовой окраски и появлении характерной полосы поглощения в спектре поглощения раствора. При увеличении концентрации меламина их доля в растворе увеличивается и одновременно уменьшается интенсивность окрашивания таблетки нанокомпозита. Оценено влияние внешних факторов (рН, времени контакта фаз, концентрации прекурсора наночастиц и др.) на спектральные характеристики формирующихся нанокомпозитов. Показано, что максимальный аналитический сигнал наблюдается в области рН 3.5–3.7. Для поддержания заданного значения рН предложено использовать фосфатный буферный раствор на основе фосфорной кислоты и дигидрофосфата калия. Максимальный аналитический сигнал наблюдается при концентрации золотохлористоводородной кислоты 10 мкг/мл по золоту (50 мкМ) и времени контакта фаз 5–10 мин. На основании систематизации и анализа полученных данных установлено, что основными рычагами управления проявлением аналитически значимых эффектов и свойств в данных наноаналитических системах являются величина рН и концентрация прекурсора металла в растворе для синтеза нанокомпозитов. Так, регулирование рН в пределах нескольких единиц величины позволяет изменять чувствительность определения на порядок. Показано также, что ключевую роль в стабилизации формирующихся наночастиц играет пенополиуретан, делающий возможной адсорбционную иммобилизацию наночастиц. Поэтому условия модифицирования полимера борогидридом оказывают большое влияние на воспроизводимость синтеза нанокомпозитов и, как следствие, метрологические характеристики методик определения аминов и тиосоединений. Природа аналита также оказывает большое влияние на аналитический сигнал формирующихся наночастиц. Так, установлено, что среди аминов наибольшее влияние оказывают высшие и ароматические амины (например, цетиламин, нафтиламины) и амины, содержащие в своей структуре несколько аминогрупп (такие как неомицин). Разработанные способы определения биологически активных веществ указанных классов характеризуются пределами обнаружения 0,7–1,5 мкМ. Их применимость на практике показана при анализе вод разного типа и фармацевтических препаратов. Разработанный способ определения меламина апробирован при анализе сухого молока и заменителя сухого молока. В рамках другого направления исследований данного проекта изучены аналитические возможности наносистем на основе наночастиц серебра – треугольных нанопластинок, а также сферических наночастиц и их нанокомпозитов. Так, показано, что морфологические и агрегативные трансформации треугольных нанопластинок серебра, происходящие в результате восстановления на их поверхности серебра из ионов серебра, могут быть применены для определения биологически активных восстановителей и антиоксидантов, таких как аскорбиновая кислота и кверцетин, относящийся к классу флавоноидов. Восстановление нитрата серебра (~ 0,2 мМ) проводили в растворе в присутствии треугольных нанопластинок серебра с длиной ребра около 50 нм при их концентрации 0,04 мМ в пересчете на атомарное серебро. Показано, что в этих условиях в присутствии восстановителей наблюдается значительное увеличение интенсивности полосы поверхностного плазмонного резонанса нанопластинок и ее батохромный сдвиг более чем на 200 нм. Эти эффекты предложено использовать для определения указанных выше восстановителей. Помимо этого, на примере флавоноидов кверцетина, морина и дигидрокверцетина изучены аспекты формирования сферических наночастиц серебра на целлюлозе с целью создания микрофлюидных аналитических систем на основе бумаги для определения антиоксидантов этого класса. В рамках этого направления разработана концепция сборных микрофлюидных систем, которые представляют собой отдельные бумажные дисковые элементы (например, зона загрузки образца, зоны детектирования, содержащие спектрофотометрические реагенты, и т.д.), закрепленные на адгезионной подложке, роль которой выполнял лист полимера с клеевым слоем двустороннего скотча. Конструкция таких систем может быть легко видоизменена в зависимости от решаемой задачи. Изучены особенности регистрации аналитического сигнала наночастиц, формирующихся под действием флавоноидов на целлюлозе. Для измерения сигнала предложено использовать мини-спектрофотометр – калибратор мониторов как дешевую, доступную и компактную альтернативу профессиональному спектрометру диффузного отражения. Выявлено влияние различных факторов на величину аналитического сигнала. В частности, показано, что максимальный аналитический сигнал достигается при использовании зоны детектирования, содержащей 0,4 мкмоль нитрата серебра и 0,04 мкмоль щелочи и при нанесении спиртового раствора аналитов. Эти параметры можно использовать для управления аналитическими характеристиками определения флавоноидов и оптимизации созданных микрофлюидных аналитических систем. Оценены аналитические характеристики определения флавоноидов с помощью сборных микрофлюидных систем на основе бумаги. Пределы обнаружения составили 2,3 – 14 мкг/мл (0,12 – 0,70 мкг). Сделан вывод о том, что данные системы пригодны для анализа малых количеств объектов с высоким содержанием флавоноидов. Их применимость на практике показана при определении кверцетина в настойке боярышника и луковой шелухе. Преимуществом предлагаемых систем является отсутствие необходимости сложной пробоподготовки, экспрессность и невысокая стоимость. Показана возможность снижения пределов обнаружения при использовании в составе микрофлюидной системы дополнительной зоны с магнитно-закрепленным сверхсшитым полистиролом для концентрирования аналитов из относительно больших объемов пробы. Степени извлечения указанных выше флавоноидов на магнитном сорбенте составляют 60 – 90 %. На примере морина установлено, что концентрирование позволяет повысить чувствительность определения в 5 раз. Нанокомпозиты целлюлозы с треугольными нанопластинками серебра предложены в качестве чувствительного элемента для определения галогенидов в варианте динамической газовой экстракции. Суть предлагаемого метода состоит в том, что галогениды (иодид, бромид, хлорид) последовательно селективно окисляют до соответствующих галогенов, которые отгоняют из раствора потоком воздуха, транспортирующим их через зону детектирования, где происходит окисление треугольных нанопластинок серебра. Регистрацию аналитического сигнала проводили методом цифровой цветометрии с использованием сканера. Отличие предлагаемого метода состоит в том, что он позволяет определять все основные галогениды в одной пробе. Помимо треугольных нанопластинок серебра, в ходе экспериментов изучена возможность применения классических реагентов для определения окислителей. Пределы обнаружения иодида, бромида и хлорида составляют 0,01, 0,02 и 0,04 мг/л соответственно. Метод апробирован при анализе морепродуктов и вод разного типа. | ||
4 | 1 июля 2021 г.-30 июня 2022 г. | Изучение и разработка фундаментальных аспектов нанохимии неорганических частиц с целью создания новых оптимизированных наноаналитических систем для определения биологически активных веществ |
Результаты этапа: Синтезированы два типа нанокластеров золота, обладающих люминесцентными свойствами: стабилизированные аденозинтрифосфатом и стабилизированные глутатионом. Нанокластеры первого типа характеризуются максимумом возбуждения люминесценции при 270 нм и максимумом люминесценции при 480 нм. Второй тип нанокластеров синтезирован по методу лигандного обмена: изначально восстановление золота (Au(III) → Au(0)) происходит под действием гистамина, последующее введение глутатиона приводит к 10-кратному увеличению интенсивности люминесценции. Максимум возбуждения полученных нанокластеров – 405 нм, максимум люминесценции – 500 нм. Изучено влияние соотношения реагентов при синтезе на люминесцентные свойства нанокластеров: увеличение концентрации как золотохлористоводородной кислоты, так и глутатиона позволяет получать нанокластеры, характеризующиеся большей интенсивностью люминесценции. Увеличение концентрации гистидина, а также замена его более сильным восстановителем – борогидридом натрия – не приводит к улучшению люминесцентных свойств нанокластеров. Показано, что ионы Cu2+ вызывают тушение люминесценции нанокластеров. В слабокислой среде присутствие АТФ позволяет уменьшить тушение люминесценции ионами Cu2+ - на основе этого эффекта предложен способ определения АТФ в диапазоне 1 – 5 мМ. Определению 1,5 мМ АТФ не мешают сопоставимые количества распространённых неорганических ионов (Na+, K+, Mg2+, Cl-, NO3-, SO42-). На примере классических люминесцентных реагентов (родамин 3B, флуоресцеин, хинин) продемонстрирована применимость калибратора мониторов i1Pro2 для проведения люминесцентного анализа. Предлагаемый подход основан на том, что калибратор облучает образец широкополосным излучением в видимом и ближнем УФ-диапазоне (источник излучения типа D50). При прохождении излучения ближнего УФ-диапазона через раствор в кювете с черными стенками (для предотвращения регистрации прибором собственного излучения), происходит возбуждение молекул люминофора и их флуоресценция. Прибор регистрирует попадающее на детектор излучение и выводит данные в виде коэффициентов отражения в диапазоне 380 – 730 нм с шагом 10 нм, равных отношению интенсивности зарегистрированного излучения с данной длиной волны к интенсивности испускаемого излучения с этой же длиной волны. Таким образом, результаты измерения коррелируют со спектром люминесценции вещества. Проведён выбор подходящей кюветы для измерений: изучено влияние геометрии и объёма на чувствительность определения. Установлено, что лучшими характеристиками обладает чёрный эппендорф типа «LightSafe» (V = 1.5 мл): пределы обнаружения родамина 3B, флуоресцеина и хинина в данном случае составляют, соответственно, 0.04, 0.01 и 20 мкМ. Разработанный способ определения родамина 3В и флуоресцеина проверен методом «введено-найдено» при анализе водопроводной воды. С использованием калибратора мониторов проведено определение хинина в газированном напитке "Schweppes Индиан Тоник" ("Coca-Cola HBC", Россия) и лекарственном препарате «Анальгин-хинин» ("Sopharma", Болгария), результаты определения хорошо согласуются с данными независимого метода (ВЭЖХ с амперометрическим детектором). На примере сульфаниламида и сульфаметазина показана возможность использования калибратора мониторов для определения сульфаниламидных препаратов после проведения люминесцентной реакции с флуорескамином. Установлено, что определение следует проводить при рН 4 – 6 через 40 мин после смешения реагентов при концентрации флуорескамина 200 – 500 мкМ. Пределы обнаружения сульфаниламида и сульфаметазина составляют, соответственно, 1.2 и 1.1 мкМ, диапазон определяемых концентраций – 3.7–100 мкМ. Проведено определение указанных сульфаниламидов в лекарственном препарате «Стрептоцид» (ООО «Аромасинтез») и ветеринарном препарате «Зинаприм» (ООО «Livisto»), результаты определения хорошо согласуются с данными независимого метода, что свидетельствует о применимости калибратора монитора для контроля качества сульфаниламидных препаратов. Предложен способ получения композитов наночастиц серебра с целлюлозой для последующего использования в качестве детектирующих элементов в сборных микрофлюидных аналитических системах (МФС) на основе бумаги. Метод основан на импрегнировании путем нанесения коллоидных растворов наночастиц и высушивания. Показано, что такой простой вариант позволяет получать достаточно равномерное покрытие бумаги, чтобы его можно было использовать в количественном химическом анализе. Аналогичный вариант пригоден для нанесения классических реагентов из их водных и водно-спиртовых растворов при создании мультисенсорных микрофлюидных систем. Для изготовления бумажных элементов можно использовать готовые дисковые бумажные фильтры Whatman Grade 1 диаметром 10 мм, хотя при необходимости можно использовать элементы меньшего размера или другой формы. В качестве адгезионной подложки использовали двусторонний скотч на полимерной пластине. На нем закрепляли бумажные элементы, после чего наносили растворы реагентов и проводили высушивание при температуре ~ 80 ºС. Созданы мультисенсорные микрофлюидные системы для определения некоторых флавоноидов, включающие реагент для получения наноаналитической формы – наночастиц серебра, а также два классических реагента на фенолы – хлорид железа(III) и тетрафтороборат 4-нитрофенилдиазония (4-НФД). В качестве реагента для получения наночастиц использовали нитрат серебра в сочетании со щелочью. Как было установлено ранее, флавоноиды восстанавливают нитрат серебра до наночастиц серебра, обладающих интенсивной полосой поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Хлорид железа (III) в реакции с фенолами образует комплексные соединения, окрашенные в фиолетовый, синий или зеленый цвет. Наличие в молекулах флавоноидов фенольных фрагментов также обуславливает возможность их участия в реакциях азосочетания с 4-НФД. На примере кверцетина и дигидрокверцетина выбраны условия определения и детально изучены аналитические возможности предлагаемых микрофлюидных аналитических систем для определения флавоноидов. Особое внимание уделено выбору условий определения флавоноидов по формированию наночастиц серебра. Выбор геометрии МФС и условий нанесения нитрата серебра и гидроксида натрия проводили на примере кверцетина. Микрофлюидная система на основе бумаги для определения флавоноидов этим методом может быть собрана тремя различными способами. В первом варианте анализируемый раствор вначале проходит зону с нанесенной щелочью для создания высокого значения рН, обеспечивающего повышение восстановительной способности флавоноида, а затем попадает в зону, содержащую нитрат серебра, где происходит формирование наночастиц. Второй вариант подразумевает обратную последовательность смешивания анализируемого раствора с реактивами. Наконец в третьем варианте оба реактива наносят на одну и ту же зону, что обеспечивает их одновременное смешение с пробой. Появление оранжевой окраски и характерной полосы поглощения в области 420 нм, свидетельствующее об образовании наночастиц, наблюдалось после контакта раствора кверцетина с зоной детектирования во всех трех случаях. Однако интенсивность полосы ППР оказалась максимальной в случае одновременного нанесения обоих реактивов на одну зону. 4-НФД наносили на зону детектирования в виде 80% спиртового раствора. Выбранный объем наносимого раствора составлял 40 мкл. Ввиду неустойчивости реагента при нагревании, после нанесения его раствора на МФС не следует использовать высушивание на плитке. Зону детектирования нужно выдерживать на воздухе при комнатной температуре в течение 20 мин. Показано, что наибольшему значению аналитического сигнала при определении флавоноидов (изменению функции Кубелки-Мунка при добавлении дигидрокверцетина) соответствует количество 4-НФД 0,08–0,4 мкмоль (что отвечает концентрации наносимого раствора 2 – 10 мМ). Хлорид железа(III) наносили на зону детектирования в виде 100% спиртового раствора. МФС выдерживали на воздухе при комнатной температуре в течение 20 мин. Объем наносимого раствора составлял 40 мкл. Установлено, что наибольшему значению изменения функции Кубелки-Мунка соответствует количество FeCl3 0,8 – 1,6 мкмоль (концентрация наносимого раствора FeCl3 20 – 40 мМ). Показано, что все три реагента дают спектральных и цветометрический отклик при нанесении пробы, содержащей флавоноиды. Природа флавоноида оказывает существенное влияние на изменение спектральных характеристик зоны детектирования и, соответственно, интенсивности ее окраски. Показано, что в случае детектирования методом спектроскопии диффузного отражения аналитическим сигналом может служить величина изменения функции Кубелки-Мунка, найденная по результатам измерения спектра поглощения зоны детектирования. Эта величина пропорциональна концентрации флавоноида. При этом коэффициенты чувствительности одних и тех же реагентов и порядок их изменения оказались разные для двух выбранных аналитов. В случае кверцетина тангенсы угла наклона градуриовочной прямой возрастают в ряду реагентов FeCl3 – 4-НФД – AgNO3+NaOH, в случае же дигидрокверцетина этот ряд следующий FeCl3 – AgNO3+NaOH – 4-НФД. Описанные выше наблюдения могут быть использованы для идентификации флавоноида по величине отклика при реакции с тем или иным реагентом (при условии наличия в пробе только одного аналита). Пределы обнаружения лежат в диапазоне 1,2 – 39 мкг/мл. Наибольшими пределами обнаружения характеризуется FeCl3 (39 и 19 мкг/мл для дигидрокверцетина и кверцетина соответственно), а наименьшими – 4-НФД (7,5 мкг/мл) и AgNO3 + NaOH (1,2 мкг/мл), которые достигаются в обоих случаях для кверцетина. Диапазон определяемых содержаний составляет в целом от 0,004 до 1,1 мг/мл. На основании этих данных можно заключить, что МФС изученного типа пригодны для определения достаточно высоких концентраций флавоноидов, которые могут присутствовать, например, в некоторых растительных экстрактах или фармацевтических препаратах. В объектах подобного типа, где содержание флавоноидов велико, МФС могут иметь преимущества перед высокочувствительными методами, которые потребовали бы предварительной подготовки и многократного разбавления пробы перед определением, что усложнило бы процедуру анализа и могло бы привести к значительным систематическим ошибкам. В то же время, абсолютные пределы обнаружения, рассчитанные для МФС (0,1 – 3 мкг), невысоки, что является следствием их миниатюрности и говорит о возможности анализа малого количества образца. Помимо спектроскопии диффузного отражения, изменение окраски образцов может быть зарегистрировано и количественно измерено методом цифровой цветометрии с использованием смартфона. Показано, что для цветометрии величины коэффициентов чувствительности для различных реагентов изменяются схожим образом, как в случае спектроскопии диффузного отражения. Однако чувствительность метода цифровой цветометрии оказывается хуже. В качестве перспективного наноаналитического реагента для МФС рассмотрены треугольные нанопластинки серебра (ТНП). С целью оценки их аналитических возможностей в отношении флавоноидов изучено их взаимодействие в водном растворе с такими представителями этого класса, как морин, рутин, кверцетин, дигидрокверцетин, хризин, нарингенин и нарингин в присутствии нитрата серебра в качестве окислителя и прекурсора серебра. Обосновано, что данное взаимодействие сопровождается восстановлением металлического серебра на поверхности ТНП и их последующей агрегацией, что выражается увеличением интенсивности полосы ППР и ее смещением в случае первых четырех флавоноидов из упомянутых. Выбраны условия взаимодействия: концентрация ТНП (0,04 ммоль Ag/л), рН (6,0 – 7,5), время взаимодействия (20 мин) и концентрация Ag(I) (0,2 ммоль/л). Оценены аналитические характеристики спектрофотометрического определения морина, рутина, кверцетина и дигидрокверцетина. Пределы обнаружения составляют 0,9, 1,2, 1,2 и 2,0 мкмоль/л соответственно. Определению не мешают 100 и 1000-кратные количества распространенных неорганических ионов, а также 10-кратные количества аскорбиновой кислоты и глюкозы. Полученные данные свидетельствуют о хороших перспективах применения ТНП в качестве нанореагентов для МФС. Изучены возможности использования магнитных композитов наночастиц оксида железа(II,III) со сверхсшитым полистиролом для магнитного сорбционного выделения и концентрирования азотсодержащих антибактериальных препаратов. На магнитном композите изучена сорбция хлорамфеникола, флорфеникола и тиамфеникола в зависимости от времени контакта фаз, рН раствора и концентрации извлекаемых соединений и проведено сравнение их сорбционного поведения. Установлено, что время достижения сорбционного равновесия для всех изученных амфениколов не превышает 10 мин. Сорбция этих соединений слабо зависит от рН, максимальная сорбция хлорамфеникола наблюдается при рН 4.5–5.5, а флорфеникола и тиамфеникола – при рН 4.5–9. Незначительное уменьшение сорбции в кислой и щелочной средах, возможно, связано с появлением положительного заряда на поверхности магнитного композита наночастиц оксида железа(II,III) со сверхсшитым полистиролом в кислой среде и отрицательного – в щелочной. Изотермы сорбции амфениколов из водных растворов на магнитном композите описываются уравнением Ленгмюра. На основании полученных изотерм рассчитаны величины предельной сорбции, константы сорбции и изменения энергии Гиббса. Величины предельной сорбции амфениколов обратно пропорциональны расчетным значениям максимальной площади поперечного сечения оптимальной конформации молекулы, что может указывать на плотное заполнение молекулами амфениколов поверхности доступных для них пор сорбента. Оценка предельной величины занимаемой ими удельной поверхности дает значение (160 ± 20) м2/г, что примерно соответствует площади поверхности мезопор композита и позволяет предположить основной вклад этих структурных элементов в сорбцию. Показано, что свой вклад в сорбционный процесс вносят также гидрофобные взаимодействия. Амфениколы сорбируются на магнитном композите на 88–96%, что свидетельствует о том, что сорбент пригоден для группового сорбционного концентрирования этих соединений. Разработан многокомпонентный метод выделения и концентрирования более чем 15 классов ветеринарных препаратов, в том числе гетероциклических антибактериальных препаратов, из молока перед их определением методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием. При оптимизации условий выделения варьировали pH раствора, массу магнитного композита, концентрацию аналитов, природу и объем элюента. Правильный выбор рН образца необходим для предотвращения депротонирования кислых соединений и протонирования основных соединений, а также для повышения эффективности сорбции. В качестве оптимального был выбран рН 4. С учетом выбранного объема анализируемого молока и большого количества ветеринарных препаратов масса сорбента была увеличена до 150 мг. Была оценена эффективность ацетонитрила как элюирующего растворителя и установлено, что дополнительное ультразвуковое воздействие при десорбции обеспечивает более эффективное высвобождение аналитов из матрицы магнитного композита. Пробоподготовка молока заключалась в разбавлении 10 г молока 5 мл буферного раствора МакИлвейна, удалении жиров при помощи 5 мл гексана, сорбции в течение 10 мин на магнитном композите, промывании композита водой и десорбции. В оптимальных условиях выделение ветеринарных препаратов из 10 г молока при трех разных концентрационных уровнях составило для сульфаниламидов 83–107 %, β-лактамов 85–120 %, тетрациклинов 89–115 %, хинолонов 82–119 %, 82–115 % макролидов, 97–109 % нитрофуранов, 84–115 % нитроимидазолов, 89–114 % амфениколов, 86–111 % линкозамидов, 97–102 % плевромутилинов, 72–88 % макроциклических лактонов, 87–104 % для хиноксалиновых антибиотиков, 76–119% для бензимидазолов, 79–115% для антигельминтных средств, 81–118% для кокцидиостатиков и 75–119% для других препаратов. При сочетании предложенного способа выделения с высокоэффективной жидкостной хроматографией с масс-спектрометрическим детектированием были достигнуты пределы определения для всех соединений от 0,05 до 1 мкг/кг. Предложенным способом были проанализированы реальные пробы молока, содержащие некоторые из изученных веществ. | ||
5 | 1 июля 2022 г.-30 июня 2023 г. | Изучение и разработка фундаментальных аспектов нанохимии неорганических частиц с целью создания новых оптимизированных наноаналитических систем для определения биологически активных веществ |
Результаты этапа: Изучена кинетика синтеза нанокластеров золота, стабилизированных глутатионом. Синтез осуществляется в две стадии: на первой происходит восстановление золота из золотохлористоводородной кислоты гистидином и формирование слаболюминесцирующих нанокластеров золота, на второй – лигандный обмен за счёт замещения молекул гистидина на поверхности нанокластеров глутатионом, интенсивность люминесценции нанокластеров увеличивается в 10 раз при той же интенсивности возбуждающего излучения. В случае обеих стадий синтеза предполагается первый порядок реакции по золоту, период полупревращения по первой стадии составляет 70 мин, по второй – 40 мин. При хранении нанокластеров при комнатной температуре через 3 суток после синтеза начинается их окисление и потеря ими люминесцентных свойств. Замораживание нанокластеров и хранение их при -18С позволяет стабилизировать нанокластеры, при размораживании они сохраняют свои люминесцентные свойства. Продемонстрирована потенциальная возможность использования нанокластеров для определения тетрациклинов: в присутствии ионов меди происходит тушение люминесценции нанокластеров, тетрациклины в щелочной среде связываются с ионами меди в комплексы, тем самым восстанавливая люминесценцию нанокластеров. Разработанный на предыдущем этапе работы способ люминесцентного определения сульфаниламида и сульфаметазина с использованием калибратора мониторов адаптирован под анализ сульфаметоксазола и сульфаметоксипиридазина. Определение данных веществ следует проводить при рН 4 при концентрации дериватизирующего агента (флуорескамина) 200 – 500 мкМ через 15-20 мин после смешения реагентов, в качестве кювет рекомендуется использовать чёрные (“LightSafe”) пластиковые микропробирки типа “Eppendorf”. Пределы обнаружения и диапазоны определяемых содержаний составили 1 и 3 – 100 мкМ для сульфаметоксазола и 2 и 6 – 50 мкМ для сульфаметоксипиридизина. Методом «введено-найдено» продемонстрирована возможность определения сульфаметоксипиридазина в мёде. Для повышения чувствительности определения сульфаниламидов предложено проводить извлечение аналитов в небольшой объём органической фазы за счёт экстракции. Для нейтрализации положительного заряда на люминесцирующих производных сульфаниламидных препаратов предложено вводить в реакционную смесь анионный ПАВ – додецилсульфат натрия, который образует незаряженный ионный ассоциат с аналитами и улучшает их извлечение в органическую фазу. Изучена экстракция люминесцирующих производных сульфаниламида, сульфаметазина и сульфаметоксазола в толуол, гексан и амилацетат, наибольшие степени извлечения (80 – 99%) наблюдаются при использовании амилацетата, время экстракции: 15 – 20 мин. Показано, что при проведении определения с помощью калибратора мониторов регистрацию сигнала после проведения экстракции можно проводить как с отделением экстракта от изначальной водной фазы, так и без разделения фаз – за счёт помещения на границу раздела черного пластикового диска, выполняющего функцию своеобразного дна кюветы и уменьшающего влияние первичного излучения, отраженного от границы раздела фаз. Проведение определения без дополнительной процедуры разделения фаз позволяет существенно повысить экспрессность анализа. В результате экстракции удалось повысить чувствительность определения всех перечисленных аналитов в 2 раза. Разработанный способ экстракционно-люминесцентного определения сульфаниламидов апробирован при анализе медицинского препарата «Стрептоцид» (ООО «Аромасинтез»), результаты определения хорошо согласуются с данными хроматографического анализа и соответствуют заявленному производителем содержанию. Предложены сборные бумажные микрофлюидные системы (МФС) с наноструктурами серебра для определения пероксидов, основанные на окислении наночастиц, иммобилизованных на бумажной основе, которое сопровождается уменьшением полос локализованного поверхностного резонанса и обесцвечиванием зон детектирования. Показана возможность использования мини-спектрофотометра – калибратора мониторов для регистрации спектральных характеристик наноструктур на зоне детектирования МФС и аналитического сигнала, связанного с их взаимодействием с пероксидами. Благодаря возможности регистрации полного спектра диффузного отражения, калибратор обладает хорошей информативностью. Обоснованы способы твердофазно-спектрометрического определения пероксида водорода, ди(трет-бутил)пероксида и надуксусной кислоты с использованием бумажных МФС. В качестве реагентов, наносимых на зону детектирования, предложены наночастицы серебра сферической и тригонально-призматической морфологии. Показано, что окислению наночастиц серебра способствует уменьшение размеров заместителей в молекулах пероксидов и увеличение их электроноакцепторных свойств. Оценена зависимость оптического отклика наноструктур серебра от pH и времени выдерживания МФС после нанесения пробы и сделан вывод, что максимальный аналитический отклик наблюдается в нейтральной и слабокислой среде. Оптимальное время проведения анализа составляет 10 мин. Оценены аналитические характеристики способов твердофазно-спектроскопического определения пероксида водорода, надуксусной кислоты и ди(трет-бутил)пероксида с помощью разработанных МФС. Пределы обнаружения пероксидов в зависимости от природы соединения составили 0.14–0.7 мкг для сферических наночастиц серебра и 0.2–0.8 мкг для треугольных нанопластинок серебра. Показана возможность использования смартфона для регистрации аналитического сигнала. Разработанный способ определения пероксида водорода применен для анализа гидроперита, оксигента для волос и зубной пасты. Соответствие полученных результатов данным, заявленным производителями, и данным, полученным независимыми методами, свидетельствует о правильности разработанных методик. Выбраны условия получения бумажных зон МФС с нанореагентами методом импрегнирования из их коллоидных растворов. Методом спектроскопии диффузного отражения изучены спектральные характеристики зон МФС и их изменение под действием тиосоединений. Установлено, что взаимодействие сопровождается агрегацией наночастиц серебра, что приводит к гипсохромному смещению их полосы поверхностного плазмонного резонанса. Вероятный механизм агрегации наночастиц серебра включает хемосорбцию аналита по тиольной группе на поверхности наночастиц и последующую их агрегацию за счет образования межмолекулярных связей. Наблюдаемые спектральные изменения положены в основу способов определения цистеамина и цистеина. Установлено, что максимальное значение аналитического сигнала достигается в нейтральной среде при времени протекания реакции 1 мин для сферических наночастиц серебра, 10 мин для треугольных нанопластинок серебра и 15 мин для наностержней золота, покрытых серебром, при условии нанесения на детектируемую зону 40 мкг наночастиц. Изучено влияние некоторых факторов, таких как кислотность и временя взаимодействия, на спектральный отклик системы и выбраны значения факторов, обеспечивающие наибольшее изменение спектральных характеристик. Пределы обнаружения тиосоединений составили 0.01–0.14 мкг для сферических наночастиц серебра, 0.01–0.02 мкг для треугольных нанопластинок и 0.02–0.03 мкг для наностержней золота, покрытых серебром. Разработанные способы определения цистеамина и цистеина применены для анализа реальных объектов: лекарственного препарата «Перфалган», пивных дрожжей и биологически активной добавки к пище «NAC Complex». Для подтверждения правильности определения содержания тиосоединений изучаемые объекты были проанализированы также независимым методом — обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографией с амперометрическим детектированием аналитического сигнала. Во всех случаях найденное с помощью предлагаемых способов содержание тиосоединений (цистеамин, цистеин) совпадает с содержанием, полученным независимым методом, и данными, заявленными производителями. Показана перспективность применения магнитных нанокомпозитов наночастиц оксида железа(II,III) со сверхсшитым полистиролом в методе эффервесцентной твердофазной экстракции при сорбционном выделении и концентрировании нитроимидазолов. На первом этапе работы была изучена сорбция нитроимидазолов на нанокомпозитах наночастиц оксида железа(II,III) со сверхсшитым полистиролом в режиме дисперсионной твердофазной экстракции. Установлено, что время установления сорбционного равновесия составляет 5-10 мин. Выявлено, что рН водного раствора является важным параметром, влияющим на сорбцию нитроимидазолов, что, по-видимому, связано со строением молекул этих веществ. В кислой среде нитроимидазолы заряжены положительно, т.к. происходит протонирование по имидазольному кольцу, что приводит к уменьшению сорбции всех изученных соединений в этой области. При рН 5-12 нитроимидазолы присутствуют в молекулярных формах, а в сильнощелочной среде возможно депротонирование гидроксогруппы, поэтому уменьшение эффективности сорбции в щелочной среде наблюдается в основном для веществ, имеющих в своем составе гидроксильные группы (например, орнидазола и метронидазола). Наибольшие степени извлечения для ипронидазола, гидроксиипронидазола, тернидазола и диметридазола наблюдаются при pH 4-14, тинидазола при pH 5-7, орнидазола при pH 5-6, ронидазола при pH 6-7, метронидазола и гидроксиметронидазола при pH 4-5, гидроксидиметридазола при pH 4-8. Полученные данные по сорбции легли в основу разработки эффервесцентного метода выделения нитроимидазолов в варианте использования шипучих таблеток, содержащих магнитный нанокомпозит. В качестве источника протонов в этих таблетках была выбрана лимонная кислота, в качестве донора углекислого газа, с помощью которого будет проводится перемешивание раствора, – гидрокарбонат натрия. Таблетки обладали структурной целостностью только в присутствии связующего – ацетонитрила. Изучены основные факторы, влияющие на сорбцию нитроимидазолов при помощи эффервесцентных таблеток: мольное соотношение гидрокарбоната и лимонной кислоты, масса сорбента, масса таблетки. Показано, что наибольшие степени извлечения достигаются при мольном соотношении гидрокарбонат натрия : лимонная кислота 1:0.5 и массе таблетки 1.5 г, содержащей 20 мг магнитного нанокомпозита. Установлено, что для метронидазола, орнидазола, ронидазола, тернидазола и тинидазола количественная десорбция достигается как метанолом, так и ацетонитрилом, однако для большинства ацетонитрил оказался более эффективным, поэтому он был выбран в качестве элюента на стадии десорбции нитроимидазолов с магнитного нанокомпозита. Проведена сравнительная оценка сорбционных свойств магнитного нанокомпозита наночастиц оксида железа(II,III) со сверхсшитым полистиролом по отношению к нитроимидазолам при механическом перемешивании в режиме дисперсионной твердофазной экстракции и при диспергировании сорбента углекислым газом в методе эффервесцентной твердофазной экстракции. Оценены аналитические характеристики определения нитроимидазолов методом ВЭЖХ-УФ без и после их сорбционного выделения из 25 мл водного раствора на магнитном композите в методе эффервесцентной твердофазной экстракции, пределы обнаружения составили 0.01-0.02 мкг/л. Показана перспективность предложенного способа выделения при хроматографическом определении нитроимидазолов в меде. Проведен обзор литературы (107 источников) по методам хроматографического определения метаболитов нитрофуранов в пищевых продуктах для выявления актуальных направлений в анализе этих гетероциклических антибактериальных препаратов. Анализ литературных данных указывает на то, что задача определения метаболитов нитрофуранов в продуктах питания по-прежнему остается актуальной. Показано, что основным хроматографическим методом определения остатков метаболитов нитрофуранов в пищевых продуктах животного происхождения является высокоэффективная жидкостная хроматография с тандемным масс-спектрометрическим детектированием (ВЭЖХ-МС/МС), также значительно возросло число публикаций по ультра-высокоэффективной жидкостной хроматографии с тандемным масс-спектрометрическим детектированием, начали появляться работы по одновременному определению метаболитов НФ совместно с другими антибиотиками и ветеринарными лекарственными препаратами. Сделано предположение, что в будущем усилия химиков-аналитиков, работающих в этой области, будут направлены на поиск новых дериватизирующих агентов и на повышение эффективности и сокращения времени проведения кислотного гидролиза. Основным трендом в очистке полученных гидролизатов будет использование экономичных и экологически безопасных методов, таких как твердофазная микроэкстракция, твердофазная экстракция или магнитная твердофазная экстракция с использование новых сорбентов. Разработана методика определения метаболитов нитрофуранов (фуралтадона, фуразолидона, нитрофурантоина, нитрофуразона) и еще 31 ветеринарного препарата, относящихся к классам амфениколов, хинолонов, нитроимидазолов, в курином мясе после проведения ускоренного гидролиза, очистки гидролизатов методом твердофазной экстракции с использованием сверхсшитого полистирола. Показано, что повышение концентрации HCl от 0.1 до 0.5 М и температуры от 40 до 80 °С при одновременном воздействии ультразвука позволило сократить время гидролиза с 16 ч до 20 мин. Методика валидирована на трех уровнях концентраций. Найденные условия применены для ВЭЖХ-МС/МС определения лекарственных веществ не только в курином мясе, но и в печени, сердце и желудках. Степени выделения лекарственных веществ составили 92 – 116 %, а относительное стандартное отклонение – 0,05 – 0,16. Предложен подход к улучшению селективности хроматографического определения ветеринарных препаратов, сильно отличающихся по полярности, основанный на использовании двух последовательно соединенных хроматографических колонок (С18 и HILIC) и градиентного элюирования. Подход улучшает разрешение хроматографических пиков и перспективен для дальнейшего использования в сочетании с групповым концентрированием определяемых веществ на сверхсшитом полистироле. |
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".