ИСТИНА

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.