ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Проект направлен на разработку и практическую реализацию новой экспериментальной платформы на основе MEMS-датчиков для комбинированной in situ характеризации теплофизических и структурных свойств сверхмалых количеств образца (от единиц до сотен нанограммов) в ходе сверхбыстрых нагревов и охлаждений образца со скоростями до 100000 град/с. В ходе проекта разрабатываемая методика термического анализа на чипе будет скомбинирована с in situ Рамановской микроскопией, что позволит дополнить теплофизические данные структурной информацией.
The main goal of the project is development and practical implementation of a new experimental platform based on MEMS-sensors for combined in situ thermophysical and structural characterization of ultra-small sample amounts (from several nanograms). This platform will make it possible to carry out quantitative measurements of the thermal properties of microparticles and deposited thin organic layers, including the determination of glass transition, melting, crystallization temperatures, latent heats of phase transformations and chemical reactions during sample ultrafast heating and cooling at rates up to 100000 deg/s. In the frame of the project, the developed on-chip thermal analysis technique will be combined with in situ Raman microscopy (µ-Raman, a combination of conventional optical microscopy and unique chemical identification method using Raman spectroscopy) and, thus, will expand the thermophysical data which is needed to interpret fast physicochemical processes with significantly important structural information.
По итогам первого года реализации проекта планируется выполнить следующие задачи: Провести углубленный анализ научно-технической литературы, касающейся рассматриваемых методов, а также изучаемых фармацевтических препаратов и полимерных материалов. Провести первоначальное исследование данных материалов классическими методами оптического, рентгеноструктурного, термического и фазового анализа. Изготовить держатели нанокалориметрических MEMS-сенсоров производства компании XENSOR серии XEN-39390 для удобной интеграции с рамановским микроскопом Horiba LabRAM. Определить оптимальный способ очистки нанокалориметрических сенсоров от продуктов термического разложения изучаемых материалов. Разработать программное сопряжение нанокалориметра и рамановского микроскопа. Проведести процедуру калибровки нанокалориметрических чипов для различных режимов работы рамановского спектрометра и в пределах разных температурных диапазонов, в том числе используя криоячейку для достижения температур ниже 0 С. Провести исследование температурного отклика чипов при воздействии лазерного излучения рамановского микроскопа различной мощности и определение оптимальных режимов работы скомбинированной системы для изучаемых материалов. Разработать функциональные и технические требования к предлагаемому комплексу, а также методики проведения комбинированных экспериментов по рамановской спектроскопии и нанокалориметрии в режиме “Fast heating” - сверхбыстрых нагревов и охлаждений в диапазоне скоростей от 6000 до 600000 С/мин (100 - 10000 С/с), и в режиме “Slow heating”, позволяющем исследовать микрочастицы образцов в диапазоне скоростей, доступных классическим дифференциальным сканирующим калориметрам. Передать в печать 1 статьи (Q1/Q2, инд. «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и «Скопус» (Scopus)) и подготовлены материалы для еще 2 статей (Q1/Q2, инд. «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и «Скопус» (Scopus)) Второй этап работ по проекту предполагает исследование реальных объектов с помощью разработанного метода исследований. В качестве объектов исследований выбраны вещества, для которых свойственны полиморфные превращения: образцы фармацевтических препаратов и полимерных материалов. Предполагается исследовать следующие объекты: - кофеин, широко распространенный психостимулятор, имеет 2 полиморфные формы, из них форма 1 образуется в процессе температурного воздействия выше 140 С или с течением времени, в то время как форма 11 является стабильной; - сератродаст, препарат для лечения астмы, имеет 3 полиморфные конформации, переход в которые происходит при термическом воздействии или с течением времени в зависимости от внешних факторов; - 4-ацетамедофенол, противовспалительный и жаропонижающий препарат, который имеет 3 полиморфные модификации, одна из которых проявляется в метастабильном состоянии; - поливинилиденфторид (ПВДФ) имеющий ориентированную ламеллярную морфологию, с известными двумя полиморфными модификациями, а именно: неполярную альфа форму и полярную бета форму, которая также отличается своими пьезоактивными свойствами. Альфа полиморфная форма фторопласта ПВДФ образует кольцевые сферолиты, в то время как гамма форма растет в скрученных ламелях стоящих на поверхности образца. Различие данных форм и их относительная стабильность делают ПВДФ крайне привлекательным объектом для исследования с помощью рамановской микроскопии, а также делает возможным его изучение в качестве модельной полимерной системы. Актуальность использования ПВДФ связана в первую очередь с его пьезоэлектрическими свойствами, проявляющимися благодаря полиморфному переходу в бета форму при различных условиях.
Ранее коллективом авторов уже было реализовано in-situ совмещение метода сверхбыстрой нанокалориметрии с другими методами анализа. Так, было осуществлено успешное внедрение нанокалориметра на линии микро- и нанофокусной рентгеновской дифракции (ID13) источника синхротронного излучения ESRF для исследования процессов структурообразования функциональных материалов. На данном этапе продолжаются исследования высокоперспективных полимерных материалов различных свойств, что подтверждает инновационность и востребованность данного совмещения. Кроме того, в качестве дополнения к данной системе была разработана камера, способная значительно расширить диапазон рабочих температур комбинированной системы нанокалориметра и источника рентгеновского излучения, в том числе с переходом в диапазон отрицательных температур. Система представляет собой термостатирующую камеру с элементом Пельтье, который позволяет поддерживать температуру в камере и вокруг нанокалориметрического чипа до минус 20 °С, а также повышает температурный диапазон работы нанокалориметрического сенсора на 100°С. Также научным заделом планируемых на следующий год исследований являеются все экспериментальны и теоретические результаты, полученные в отчетный период (1 этап).
Объединение двух эффективных методов анализа в ходе in situ эксперимента обеспечивает максимально полную информацию о структуре и свойствах изучаемых образцов, исключая возможные неоднозначности в толковании результатов. Разработанная в рамках проекта комбинированная экспериментальная система, включающая сверхбыструю калориметрию на чипе и рамановскую микроскопию, успешно внедрена в научную лабораторию, обеспечивая важные выводы о механизмах полиморфных превращений в лекарственных препаратах и функциональных полимерных материалах. После процедуры калибровки и комплексного тестирования полностью работоспособный экспериментальный комплекс подтвердил свою эффективность. В результате проекта предложена новая методика, применимая в лабораторных условиях. На данном этапе работ была выполнена пробоподготовка выбранных для изучения образцов образцы фармацевтических препаратов и полимерных материалов: кофеин, сератродаст, 4-ацетамидофенол (парацетамол), карбамазепин и поливинилиденфторид (ПВДФ) и очистка нанокалориметрических сенсоров. С помощью экспериментов по сверхбыстрому и импульсному нагреву образцов малой массы, в сочетании с применением комбинационного рассеяния был проведен комплексный теплофизический и структурный анализ фармацевтических и полимерных материалов. Стоит отметить, что было получено большинство известных полиморфных модификаций исследуемых веществ без использования специальных растворителей. Результаты проекта охватывают не только исследование модельных систем и их полиморфных переходов, но и разработку методики, учитывающей все процедуры предварительной обработки, температурной нормировки и анализа экспериментальных данных, полученных в сложном in-situ эксперименте. Для этого создан новый подход к анализу данных, включающий выстраивание всех рабочих процессов на программном уровне в интеллектуальном системном интеграторе. Этот метод также открывает возможности использования полученных шаблонов обработки данных при работе с другими сложными in-situ платформами, основанными на нанокалориметрии. Полученные результаты позволят более точно контролировать процессы обработки данных материалов, их термические и электрические характеристики в будущем. Также применение разрабатываемой методики откроет новые возможности для проведения оперативного анализа материалов в режиме реального времени, например, для оценки срока годности фармацевтических продуктов, контроля качества полимерных материалов и выявления фальсификации. Это создает перспективы для широкого использования данной комбинированной системы в крупномасштабных производственных компаниях в фармацевтической и нефтехимической отраслях, а также в мировых научных исследовательских центрах. Чувствительность нанокалориметрических сенсоров к материалам, позволяющая системе эффективно обнаруживать полиморфные переходы и фазовые изменения, свидетельствует о высокой точности ее работы. Эти исследования подчеркивают стабильность различных полиморфных форм при термических и лазерных воздействиях, что имеет важное значение для понимания основных характеристик изучаемых материалов. Таким образом, все заявленные научные результаты проекта были выполнены в полном объеме.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 28 июля 2022 г.-30 июня 2023 г. | Этап 1 |
Результаты этапа: Разработан многофункциональный держатель нанокалориметрического сенсора, основное преимущество которого заключается в его способности совмещать несколько приборов, таких как нанокалориметр и рамановский микроскоп, благодаря специальной конструкции. Это позволяет проводить in situ теплофизические и спектроскопические эксперименты, в том числе многофакторный анализ структуры и свойств образца при воздействии различных внешних факторов, таких как изменение температуры, электрических и магнитных полей. Такой подход позволяет получать наиболее полную информацию о структуре и свойствах образца, устраняя возможные неоднозначности в интерпретации результатов. Предлагаемое устройство позволяет исследовать образцы весом от десятков пикограмм до сотен нанограмм и имеет верхний температурный предел нанокалориметрических сенсоров до 450 C. Использование сенсоров серии XEN392 с различными активными областями от компании XENSOR упрощает процесс калибровки и обработки результатов, требуя калибровки только при замене типа сенсоров. Основная плата коннектора соединяется с управляющим блоком нанокалориметра через гибкие провода, обеспечивая стабильную передачу сигнала и исключая посторонние возмущения. Основа изготовлена из полимерного материала, который предназначен для 3D-печати и имеет размеры 65 мм в длину, 35 мм в ширину и 15 мм в высоту. Коннектор размещен в прямоугольной выемке на основе, и на нем был предустановлен нанокалориметрический сенсор. Для фиксации сенсора сверху используется прижимная лапка, которая имела размеры 5 мм х 35 мм х 7,5 мм и два сквозных отверстия для фиксации сенсора винтами. В процессе печати использовался полимерный материал ASIGA PlasWHITE, который обладал необходимыми упругими свойствами. Данный материал был выбран как наиболее оптимальный по свойствам и доступен для коммерческого использования в фотополимерной печати. Изготовленный держатель был апробирован при совмещении нанокалориметрии с рамановским микроскопом Horiba LabRAM Реализованное в рамках проекта программное и инструментальное сопряжение нанокалориметра и рамановского микроскопа путем использования аналогового сигнала стандарта TTL позволяет минимизировать задержку при синхронизации устройств до 1.2 мс. Таким образом, держатель и аналоговый TTL сигнал обеспечивают полноценную интеграцию двух методов анализа. Также на данном этапе работ был определен оптимальный способ очистки нанокалориметрических сенсоров от продуктов термического разложения изучаемых материалов. Были подобраны растворители и условия их применения для полного очищения активных областей нанокалориметрических сенсоров без ущерба для нагревателей и термопар. Проведена процедура калибровки нанокалориметрических чипов для различных режимов работы рамановского спектрометра и в пределах разных температурных диапазонов. Использование мощности лазера микроскопа от 0.1 до 10% позволило зарегистрировать сдвиги пиков плавления калибрантов до 0.2 В (до 9 С) при использовании различных профилей нагрева. Полученные данные в дальнейшем будут использованы для нормировки экспериментальных данных на реальных исследуемых объектах. Кроме того, проведено исследование температурного отклика чипов при воздействии лазерного излучения рамановского микроскопа различной мощности и определение оптимальных режимов работы скомбинированной системы для изучаемых материалов. Установлено, что время стабилизации температуры на сенсоре занимало менее 1 секунды; оценены величины возможных температурных скачков составляющих не более 5 С. Также было установлено, что при мощности 50 % лазер прожигает мембрану сенсора. На данном этапе работ также был проведен анализ научно-технической литературы, касающейся рассматриваемых методов, а также изучаемых фармацевтических препаратов и полимерных материалов. В результате было проанализировано более 100 публикаций в предметной области проекта, а результаты данного анализа отражены в работе исполнителей проекта: “Good laboratory practice in thermal analysis and calorimetry” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 148, pages 2211–2231 (2023). Статья опубликована в виде обзора в журнале с импакт-фактором 5.12, входящим в Q1 по версии http://www.scimagojr.com/, с участием ведущих мировых ученых по калориметрии. По итогам работы так же была опубликована статья "Измерение структуры и теплофизических характеристик образцов с помощью совмещенной атомно-силовой микроскопии и нанокалориметрии" Яминский И.В., Иванов Д.А., Ахметова А.И., Максимова Н.Е., Мельников А.П., Ахкямова А.Ф. в журнале Наноиндустрия, издательство АО "Рекламно-издательский центр "Техносфера" (Москва), том 15, № 7-8, с. 418-425 2022 г. Все запланированные в отчетном периоде научные результаты достигнуты. | ||
2 | 1 июля 2023 г.-30 июня 2024 г. | Этап 2 |
Результаты этапа: В рамках работ по проекту было проведено исследование реальных объектов с помощью разработанного метода исследований, совмещающих рамановскую спектрометрию и нанокалориметрию. В качестве объектов исследований выбраны вещества, для которых свойственны полиморфные превращения: образцы фармацевтических препаратов и полимерных материалов: кофеин, сератродаст, 4-ацетамидофенол (парацетамол), карбамазепин и поливинилиденфторид (ПВДФ). В ходе проекта была проведена полноценная разработка новой экспериментальной методики, совмещающей сверхбыструю калориметрию на чипе (нанокалориметрию) и in situ Рамановскую микроскопию. Методика была использована для обеспечения полноты исследования полиморфных превращений в веществах кофеин, сератродаст, 4-ацетамидофенол (парацетамол), карбамазепин и поливинилиденфторид (ПВДФ). Объединение двух эффективных методов анализа в ходе in situ эксперимента обеспечивает максимально полную информацию о структуре и свойствах изучаемых образцов, исключая возможные неоднозначности в толковании результатов. Разработанная в рамках проекта комбинированная экспериментальная система, включающая сверхбыструю калориметрию на чипе и рамановскую микроскопию, успешно внедрена в научную лабораторию, обеспечивая важные выводы о механизмах полиморфных превращений в лекарственных препаратах и функциональных полимерных материалах. После процедуры калибровки и комплексного тестирования полностью работоспособный экспериментальный комплекс подтвердил свою эффективность. В результате проекта предложена новая методика, применимая в лабораторных условиях. На данном этапе работ была выполнена пробоподготовка выбранных для изучения образцов образцы фармацевтических препаратов и полимерных материалов: кофеин, сератродаст, 4-ацетамидофенол (парацетамол), карбамазепин и поливинилиденфторид (ПВДФ) и очистка нанокалориметрических сенсоров. С помощью экспериментов по сверхбыстрому и импульсному нагреву образцов малой массы, в сочетании с применением комбинационного рассеяния был проведен комплексный теплофизический и структурный анализ фармацевтических и полимерных материалов. Стоит отметить, что было получено большинство известных полиморфных модификаций исследуемых веществ без использования специальных растворителей. Результаты проекта охватывают не только исследование модельных систем и их полиморфных переходов, но и разработку методики, учитывающей все процедуры предварительной обработки, температурной нормировки и анализа экспериментальных данных, полученных в сложном in-situ эксперименте. Для этого создан новый подход к анализу данных, включающий выстраивание всех рабочих процессов на программном уровне в интеллектуальном системном интеграторе. Этот метод также открывает возможности использования полученных шаблонов обработки данных при работе с другими сложными in-situ платформами, основанными на нанокалориметрии. Таким образом, на конец заключительного отчетного периода все заявленные научные результаты проекта были выполнены в полном объеме. Результаты работы были представлены на XIX Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (3-8 июля 2023, п.Эльбрус) в виде доклада ”ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ РАМАНОВСКОЙ МИКРОСКОПИИ В СОЧЕТАНИИ СО СВЕРХБЫСТРОЙ КАЛОРИМЕТРИЕЙ НА ЧИПЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ПОЛИМОРФНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ” авторами Ахкямова А.Ф., Комов Е.В., Мельников А.П., Рулев И.И, Иванов Д.А. Была подготовлена публикация “СОВМЕЩЕНИЕ МЕТОДОВ НАНОКАЛОРИМЕТРИИ И АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ НА НАНОШКАЛЕ” авторов Ахкямова А.Ф., Абукаев А.Ф., Рулев И.И., Коняхина А.Ю., Мельников А.П., Иванов Д.А. (A.F. Akhkiamova, A.F. Abukaev, I.I. Rulev,A.Y. Konyakhina, A.P. Melnikov, D.A. Ivanov) в журнале Наноиндустрия (2024 г.) |
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".