ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Цель настоящего проекта заключается в оценке перспектив применения треугольных нанопластинок серебра и твердофазных аналитических реагентов на их основе — их нанокомпозитов с пенополиуретаном — для определения биологически активных соединений методами спектрофотометрии и спектроскопии диффузного отражения.
Nowadays silver nanoparticles are attracting the attention of many researchers. Optical properties of silver nanoparticles caused by the surface plasmon resonance phenomenon and manifested in the appearance of an intense absorption band in the visible region of the spectrum are of particular interest. The possibility of a significant change in the optical characteristics of nanoparticles as a result of a change in the state of surface plasmons allows them to be used as peculiar chromophore reagents in spectrophotometry and test-methods of analysis. Moreover, there has recently been a steady tendency to study silver nanoparticles of non-spherical morphology such as triangular nanoplates. Due to the strong dependence of their optical properties on the degree of aggregation, composition of the surface layer and geometric characteristics, it is possible to develop fundamentally new methods for spectrophotometric determination of various compounds that can directly or indirectly cause a change in these parameters. The preparation and analytical application of nanocomposites with polymers are of particular interest as well, since this option provides additional stabilization of particles and alternative possibilities for controlling analytical characteristics of the system. The planned work of the postgraduate student is devoted to the study of the analytical capabilities of silver triangular nanoplates and their nanocomposite with polyurethane foam for the determination of various biologically active compounds using spectrophotometry and diffuse reflectance spectroscopy. The relevance of this topic is associated with the need to develop new highly sensitive methods for determination of biologically active compounds in various objects. In addition to the requirement of high sensitivity, these methods should possess simplicity, economic feasibility, the ability of implementation in the test-version when conducting screening semi-quantitative analyzes, as well as when working in the field. Approaches to solving this task can be found in using silver triangular nanoplates in analytical chemistry as promising spectrophotometric reagents that allow to determine compounds changing the degree of aggregation, composition of the surface layer or geometric parameters of the particles. Combination of the advantages of silver triangular nanoplates and nanocomposite materials based on them with the advantages of spectrophotometry and diffuse reflection spectrometry may allow for the development of chemical analysis methods that meet the above requirements. The scientific novelty of the expected results will consist in obtaining and comparison of new data on the processes of aggregation, oxidation and the morphology change of silver triangular nanoplates in solution and in the solid phase of a composite based on polyurethane foam, which has been proposed in the PhD theses of the post graduate student, on the features of their optical characteristics change during these processes, and on the effects of various factors on them. The possibilities of using these nano-objects and their polyurethane-based nanocomposites as analytical reagents in spectrophotometry and diffuse reflectance spectroscopy will be studied. The practical significance of the study consists in the development of the determination methods for biologically active compounds (thiols, peroxides, antioxidants). Possible ways to increase the sensitivity and selectivity of the determination will be evaluated, allowing to control the analytical features of the proposed methods.
По итогам выполнения проекта будут: -- получены новые научные данные о фундаментальных аспектах химии треугольных нанопластинок серебра и композитных материалов на основе этих наночастиц и полимеров (на примере пенополиуретана). Эти данные могут быть востребованы мировым научным сообществом в качестве отправных при моделировании и создании аналитических систем нового поколения, использующих принципы нанохимии. -- отработан простой сорбционный подход к получению новых нанокомпозитов на основе треугольных нанопластинок серебра и полимеров (на примере пенополиуретана) с точки зрения их последующего аналитического использования в роли твердофазных сенсоров для определения биологически активных веществ. -- предложены новые наноаналитические системы (прежде всего, на основе нанокомпозитов) для определения биологически активных веществ и выбраны стратегии их использования в химическом анализе. Это позволит применить выявленные закономерности химии треугольных нанопластинок серебра для создания новых оптимизированных подходов к решению задач определения биологически активных веществ. -- получены новые данные о процессах агрегации, окисления и изменении морфологии треугольных нанопластинок серебра в растворе и в фазе полимера, об особенностях изменения их оптических характеристик при протекании этих процессов, о влиянии на них различных факторов. -- разработаны методики определения биологически активных веществ (антиоксидантов, пероксидов, тиосоединений) с помощью предложенных наноаналитических систем. -- выявлены основные параметры, позволяющие управлять аналитическими характеристиками этих методик, и пути повышения чувствительности и селективности определения.
Научный руководитель аспиранта работает в области наноаналитической химии, молекулярной абсорбционной и твердофазной спектроскопии в течение ряда лет. Предложено большое число новых подходов к определению соединений (в том числе биологически активных), созданы новые композитные материалы на основе полимерных матриц и наночастиц благородных металлов, накоплен значительный материал о характеристиках наночастиц, разработаны различные варианты их аналитического использования, в том числе гибридные сорбционно-спектроскопические методы и тест-методы анализа. К настоящему моменту научный задел по теме проекта состоит в том, что отработаны способы синтеза наночастиц серебра, в частности треугольных нанопластинок серебра. Предложены пути получения композитных материалов на основе наночастиц металлов и полимеров (пенополиуретана, сверхсшитого полистирола). Изучены особенности поведения (агрегативные процессы, морфологическая трансформация) наночастиц серебра различной формы в растворе в присутствии органических веществ различной функциональности. Выявлены некоторые особенности химии наночастиц в растворе и на поверхности пенополиуретана, в частности особенности формирования, разрушения и агрегации в присутствии различных веществ. Кроме того, предложен и развит альтернативный подход к изучению резонансных оптических свойств наночастиц на твердых матрицах с использованием мини-спектрофотометра – калибратора мониторов. Основные результаты исследований научного руководителя опубликованы в монографии, 6 главах в коллективных монографиях и 81 статье, из которых 23 опубликованы в журналах топ-25. Научный руководитель имеет опыт руководства научными проектами, в том числе грантами РФФИ и РНФ. Формальные наукометрические показатели научного руководителя аспиранта следующие: суммарное число цитирований Scopus — 779, индекс Хирша Scopus — 15.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 октября 2020 г.-1 октября 2021 г. | Треугольные нанопластинки серебра как аналитический реагент в спектрофотометрии и спектроскопии диффузного отражения |
Результаты этапа: Пероксид водорода и активные формы кислорода, ассоциируемые с ним (анионы и анион-радикалы пероксида, радикалы гидроксида и др.) играют важную роль в биохимии, медицине, при контроле состояния окружающей среды. К настоящему моменту разработано множество препаративных методик качественного и количественного определения пероксида водорода. Основное внимание исследователей сосредоточено на ферментативных методах анализа, которые обладают хорошими аналитическими характеристиками. Наряду с несомненными преимуществами методы этой группы имеют существенный недостаток, связанный с нестабильностью во времени фермента, чувствительностью к параметрам внешней среды, таким как температура, рН, солевой состав. В литературе отмечается, что потенциал традиционных методик химического определения пероксида водорода в настоящее время использован далеко не полностью, поэтому при целевом формировании активного центра (вплоть до нанометрового или даже молекулярного уровня), обеспечивающего аналитический сигнал, возможно достижение аналитических характеристик, сопоставимых с ферментативными методами. В этой связи оценены перспективы использования оптических сенсорных систем на основе треугольных нанопластинок серебра, стабилизированных цитратом натрия и поли(N-винил-2-пирролидоном), и их нанокомпозитов с пенополиуретаном для определения пероксида водорода и его органических производных методами оптической молекулярной абсорбционной спектроскопии, в частности, спектрофотометрией в видимой области и спектроскопией диффузного отражения. Установлено, что при взаимодействии треугольных нанопластинок серебра с пероксидом водорода и надуксусной кислотой происходит уменьшение интенсивности полосы локализованного поверхностного плазмонного резонанса треугольных нанопластинок серебра при длине волны 625 нм, особенно выраженное в случае взаимодействия наночастиц с надуксусной кислотой. В случае трет-бутилгидропероксида, содержащего объемный трет-бутильный радикал, изменения проявляются в гораздо меньшей степени. При проведении экспериментов с трет-бутилпероксибензоатом и ди(трет-бутил)пероксидом, которые содержат в своих молекулах дизамещенную пероксогруппу и стерически объемные трет-бутильные радикалы, аналитический сигнал незначимо отличался от нуля. Полученные данные указывают на то, что окислению треугольных нанопластинок серебра способствует уменьшение размеров заместителей в молекулах пероксидов и увеличение их электроноакцепторных свойств. По-видимому, механизм окисления треугольных нанопластинок серебра пероксидом водорода включает координацию пероксида водорода по вакантным орбиталям поверхностных атомов серебра и одноцентровое взаимодействие с формированием хемосорбированного пероксида. Атомы серебра, связанные с поверхностной гидроксильной группой или мостиковым атомом кислорода, не проявляют эффекта локализованного поверхностного плазмонного резонанса, что приводит к уменьшению интенсивности полосы поглощения наночастиц. Охарактеризованы морфологические и спектральные особенности треугольных нанопластинок серебра до и после взаимодействия с пероксидами, которые косвенно подтверждают сделанное предположение о механизме взаимодействия. Исследовано влияние времени взаимодействия и величины pH раствора на чувствительность определения пероксидов. Установлено, что максимальное значение аналитического сигнала достигается через 10 мин после добавления пероксида водорода к коллоидному раствору треугольных нанопластинок серебра или к композитному материалу на их основе, через 15 мин после добавления надуксусной кислоты и через 20 мин после добавления трет-бутилгидропероксида. Вероятно, увеличение размера радикала в молекулах гидропероксидов способствует уменьшению скорости их взаимодействия с треугольными нанопластинками серебра. Установлено, что максимальный аналитический эффект наблюдается в интервале рН 5 – 7 для пероксида водорода и трет-бутилгидропероксида и в интервале рН 5 – 6 для надуксусной кислоты. Уменьшение изменения оптической плотности растворов при увеличении рН, вероятно, связано с уменьшением окислительного потенциала пероксидов в щелочной среде, что наиболее отчетливо наблюдается для надуксусной кислоты вследствие ее электролитической диссоциации, а также с уменьшением активности самих наночастиц. Уменьшение сигнала при рН < 5 наблюдается для всех случаев независимо от природы пероксида, поскольку связано с неустойчивостью в этих условиях треугольных нанопластинок серебра. На основании проведенного исследования разработаны способы спектрофотометрического и твердофазно-спектроскопического определения надуксусной кислоты, пероксида водорода и трет-бутилгидропероксида. Пределы обнаружения пероксидов составляют 6, 54 и 2160 мкг/л соответственно при использовании коллоидного раствора треугольных нанопластинок серебра и 0.1, 0.2 и 4 мкг/мл соответственно при использовании композитного материала на основе треугольных нанопластинок серебра и пенополиуретана. Во всех случаях диапазоны определяемых содержаний составляют около порядка величины. На примере пероксида водорода изучено влияние распространенных ионов на правильность его определения. Установлено, что определению пероксида водорода не мешает 1000-кратный избыток (по массе) катионов Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Al3+; анионов NO3– и CH3COO–. Определению не мешает также 50-кратный избыток катионов Cu2+ и Pb2+. Мешают определению катионы Fe3+ (m(H2O2)/m(Fe3+) = 1:10), Ni2+ (1:10), Cr3+ (1:50); анионы Br– (1:10), I– (1:1). Оценку правильности и воспроизводимости определения пероксидов с использованием треугольных серебра в качестве аналитического реагента проводили на объектах, различающихся по содержанию анализируемого вещества, а также по матричному составу. В качестве объектов анализа выступали лекарственный препарат «Гидроперит» (ОАО «Татхимфармпрепараты»), оксигент для волос 9% «Estel De Luxe» (ООО «Юникосметик»), содержащие пероксид водорода в качестве действующего компонента, и модельные системы на основе трет-бутанола с добавкой трет-бутилгидропероксида, имитирующие загрязнение химического реактива пероксидным продуктом его окисления. Для подтверждения правильности определения содержания пероксида водорода изучаемые объекты были проанализированы также независимым методом — перманганатометрическим титрованием с визуальным фиксированием конечной точки титрования. Правильность определения содержания трет-бутилгидропероксида в модельной системе подтверждали методом «введено-найдено». Результаты определения пероксида водорода совпадают с данными производителя и результатами независимого метода, а в случае образца трет-бутанола соответствуют введенной добавке трет-бутилгидропероксида, что говорит о хорошей правильности. Относительное стандартное отклонение не превышает 0.08, что свидетельствует о хорошей воспроизводимости. Проведено комплексное сравнение разработанных способов определения пероксидов с подходами, ранее описанными в литературе. Показано, что все предложенные в ходе выполнения проекта способы определения пероксидов характеризуются экспрессностью, хорошими аналитическими характеристиками, относительно высокой селективностью и доступностью аналитического оборудования. В случае нанокомпозитов на основе пенополиуретана продемонстрирована возможность использования для регистрации аналитического сигнала дешевого и компактного мини-спектрофотометра – калибратора монитора, что выгодно отличает разработанные способы твердофазно-спектроскопического определения пероксидов от существующих подходов. | ||
2 | 1 октября 2021 г.-1 октября 2022 г. | Треугольные нанопластинки серебра как аналитический реагент в спектрофотометрии и спектроскопии диффузного отражения |
Результаты этапа: Серосодержащие группы обладают высокой реакционной способностью и входят в состав активных центров рецепторов, ферментов, гормонов. Имеются данные о важной роли сульфгидрильных групп в мышечном сокращении, делении клеток, окислительном фосфорилировании, перекисном окислении, нервной деятельности, в частности, в нейромедиаторных процессах. Присутствующие в организме органические тиосоединения в первую очередь подвергаются действию активных кислородных радикалов, что предохраняет от действия последних функциональные группы биологических молекул и клеточных мембран. В этой связи изучено взаимодействие треугольных нанопластинок серебра и композитных материалов на их основе с рядом структурно-родственных тиосоединений, различающихся природой и числом функциональных групп, а также формой существования в водном растворе. Установлено, что при взаимодействии тиосоединений с треугольными нанопластинками серебра происходит уменьшение интенсивности полосы локализованного поверхностного резонанса наночастиц и появлении полосы поглощения агрегатов в длинноволновой области спектра, интенсивность которой увеличивается с ростом концентрации тиосоединения в растворе. Вероятно, механизм взаимодействия треугольных нанопластинок серебра с тиосоединениями включает хемосорбцию аналита по тиольной группе на поверхности наночастиц и последующую их агрегацию за счет образования межмолекулярных связей. Образование агрегатов подтверждено с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Установлено, что максимальное изменение спектральных характеристик растворов наночастиц наблюдается через 2.5 мин после введения в раствор треугольных нанопластинок серебра 3-меркаптопропионовой кислоты и через 15 мин после введения цистеамина, цистеина и 2-меркаптоэтанола. Резкое изменение оптической плотности на начальных участках кинетических кривых позволяет сделать заключение о двухстадийном механизме взаимодействия наночастиц с тиосоединениями. При использовании композитного материала на основе треугольных нанопластинок серебра и пенополиуретана максимальное изменение спектральных характеристик системы наблюдается через 40 мин после введения тиосоединений. Кроме того, на кинетических кривых отсутствует участок в области малых времен, отвечающий быстрой стадии образования мелких агрегатов. Оба этих эффекта являются следствием иммобилизации треугольных нанопластинок серебра на поверхности пенополиуретана, что ограничивает их мобильность. Установлено, что максимальный аналитический эффект наблюдается в интервале рН 4.5–5.0 для цистеамина и цистеина, в интервале pH 5.0–6.0 для 3-меркаптопропионовой кислоты и в интервале pH 4.5–6.0 для 2-меркаптоэтанола. Полученные результаты указывают на большое влияние типа заместителей в молекуле тиосоединения и их зарядового состояния на взаимодействие с треугольными нанопластинками серебра. На основании проведенного исследования разработаны способы спектрофотометрического и твердофазно-спектроскопического определения цистеамина, 2-меркаптоэтанола, цистеина и 3-меркаптопропионовой кислоты. В качестве аналитического сигнала использовали уменьшение величины оптической плотности раствора или уменьшение величины функции Гуревича-Кубелки-Мунка нанокомпозитного материала в максимуме полосы локализованного поверхностного резонанса наночастиц (625 нм). Пределы обнаружения цистеамина, 2-меркаптоэтанола, цистеина и 3-меркаптопропионовой кислоты в выбранных условиях составляют 0.03, 0.04, 0.05 и 0.09 мкМ соответственно при использовании коллоидного раствора треугольных нанопластинок серебра и 0.05, 0.16, 0.5 и 0.5 мкМ соответственно при использовании композитного материала на основе треугольных нанопластинок серебра и пенополиуретана. Во всех случаях диапазоны определяемых содержаний составляют около порядка величины. Величины относительного стандартного отклонения результатов определения тиосоединений, вычисленные для концентраций, соответствующих серединам градуировочных зависимостей, не превышают 0.04. На примере цистеина проведена оценка селективности предложенного способа определения тиосоединений в присутствии ряда распространенных катионов, анионов и аминокислот. Установлено, что определению 0.15 мг/л цистеина не мешает 1000-кратный избыток (по массе) катионов Na(I), K(I), Mg(II), Ca(II), Al(III); анионов нитрата, ацетата. Кроме того, показано, что определению цистеина не мешают 3000-кратные избытки ряда природных аминокислот: аланин, валин, изолейцин, серин, тирозин, фенилаланин. Предложенный способ спектрофотометрического определения цистеина с помощью треугольных нанопластинок серебра применен для анализа реальных объектов — лекарственного препарата «Перфалган» (раствор для инфузий, «UPSA»), биологически активной добавки к пище «NAC Complex» («Nittany Pharmaceuticals, Inc.») и пивных дрожжей (ООО «Экко Плюс»). Для подтверждения правильности определения содержания цистеина изучаемые объекты были проанализированы также независимым методом — обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографией с амперометрическим детектированием аналитического сигнала. Во всех случаях найденное с помощью предлагаемого способа содержание цистеина совпадает с содержанием, полученным независимым методом, и данными, заявленными производителями. В рамках третьего направления исследований изучена возможность использования резонансных оптических систем на основе треугольных нанопластинок серебра для экспрессного и чувствительного определения антиоксидантов, в частности, флавоноидов, в присутствии нитрата серебра(I). Флавоноиды представляют собой природные гетероциклические антиоксиданты, присутствующие в высших растениях и придающие разнообразную окраску растительным тканям. Количественное определение флавоноидов в растениях, овощах и фруктах является актуальной задачей аналитической химии, поскольку их содержание сильно коррелирует с качеством соответствующих продуктов питания. Кроме того, флавоноиды обладают широким спектром биологической активности и оказывают иммуностимулирующее, антитромботическое, противоаллергическое, противовоспалительное и противовирусное действие, что обуславливает важность их определения не только в продуктах питания, но и в лекарственных препаратах и биологически активных добавках к пище. Предполагаемый механизм взаимодействия треугольных нанопластинок серебра с флавоноидами в присутствии нитрата серебра(I) состоит из двух стадий, реализующихся последовательно. На первой стадии происходит восстановление ионов Ag+ до металлического серебра Ag0 под действием флавоноидов и его осаждение на поверхности наночастиц-затравок, что приводит к их укрупнению. На второй стадии происходит образование агрегатов треугольных нанопластинок, образование которых в водном растворе подтверждено просвечивающей электронной микроскопией высокого разрешения в светлом поле. В работе исследованы семь биофлавоноидов, различающихся по своей структуре и восстановительной активности. Обнаружено, что добавление хризина, нарингенина и нарингина не оказывает влияние на спектральные характеристики наночастиц. Между тем, взаимодействие треугольных нанопластинок серебра с морином, рутином, кверцетином и дигидрокверцетином в присутствии нитрата серебра(I) сопровождается батохромным сдвигом полосы локализованного поверхностного плазмонного резонанса наночастиц и значительным увеличением ее интенсивности. На основании этих фактов можно сделать вывод, что процессу взаимодействия способствуют низкие значения окислительно-восстановительных потенциалов и наличие двух гидроксильных групп, расположенных в фенильном заместителе молекулы флавоноида. Наибольшее изменение спектральных характеристик растворов треугольных нанопластинок серебра наблюдается в диапазоне pH 6.0–7.5 через 20 мин после добавления всех реагентов. Следует отметить, что в щелочной среде батохромного сдвига полосы локализованного поверхностного плазмонного резонанса наночастиц серебра не происходит. Напротив, наблюдаются гипсохромное смещение полосы и небольшое увеличение ее интенсивности. Вероятно, это может быть связано с тем, что в растворе образуются сферические наночастицы, а сами треугольные нанопластинки серебра остаются в неизменном виде. Этот процесс также может быть обусловлен значительным снижением окислительно-восстановительного потенциала в щелочной среде, что способствует увеличению их восстановительных свойств. На основании проведенного исследования разработаны оригинальные способы спектрофотометрического определения флавоноидов. Пределы обнаружения морина, рутина, кверцетина и дигидрокверцетина в выбранных оптимальных условиях составляют 0.9, 1.2, 1.2 и 2.0 мкМ соответственно. Верхняя граница диапазона определяемых содержаний для всех флавоноидов составляет 120 мкМ. Относительное стандартное отклонение результатов определений для концентраций флавоноидов, соответствующих серединам градуировочных зависимостей, не превышает 0.04. Установлено, что определению 50 мкМ флавоноидов не мешает 1000-кратный (по массе) избыток Na(I), K(I), Mg(II), Ca(II), Ba(II), Al(III), Cr(III), Cu(II), Co(II), ацетата и нитрата, 100-кратный избыток (по массе) хлорида, бромида и сульфата. Следует отметить, что определению флавоноидов также не мешают 10-кратные избытки некоторых восстановителей, в частности, глюкозы и аскорбиновой кислоты. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о достаточно высокой селективности предложенного подхода. Предложенные в работе подходы применены для анализа лекарственного препарата «Аскорутин» (ПАО «Фармстандарт»), спиртовых настоек боярышника (ООО «Флора Кавказа») и календулы (ООО «МосФарма»), а также шелухи лука. Для подтверждения правильности определения флавоноидов все объекты проанализировали также независимым методом — обращенно-фазовой высокоэффективной адсорбционной жидкостной хроматографией с амперометрическим детектированием аналитического сигнала. Полученные результаты хорошо коррелируют друг с другом, что свидетельствует о правильности определения флавоноидов. |
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".