ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Цель дальнейшего развития проекта – продолжить создание фундамента для разработки чувствительных и селективных, простых и экспрессных сенсорных платформ для определения физиологически активных веществ в биологических объектах, способов дифференциации объектов сложного состава оптическими методами. К актуальным задачам развития этих методов относятся: упрощение аналитических методик за счет создания готовых к использованию сенсорных элементов, минимизации операций пробоподготовки (или ее отсутствие), значительное сокращение времени анализа, улучшение метрологических характеристик (чувствительности и воспроизводимости); расширение возможностей аналитических методов за счет соединений, не типичных для определения флуориметрическими методами; применение обычного серийного оборудования или фотоаппаратуры, переход к портативным системам.
The goal of further development of the project is to continue creating the foundation for the development of sensitive and selective, simple and rapid sensor platforms for determining physiologically active substances in biological samples, methods for differentiating samples of complex composition by optical methods. The urgent tasks of developing these methods include: simplification of analytical procedures by developing ready-to-use sensor elements, minimizing sample preparation operations (or its absence), significant reduction in analysis time, improvement of metrological characteristics (sensitivity and reproducibility); expanding the possibilities of analytical methods due to compounds that are not typical for determination by fluorimetric methods; the use of conventional serial equipment or photographic equipment, the transition to portable systems. To solve the problem of selective determination of analytes in complex matrices, highly sensitive multisensor platforms will be proposed, multifunctional composite films and gels containing selective recognition agents will be developed; a directed selection of spectral characteristics will be carried out depending on the nature of the analyte and the matrix of the biological sample. In order to develop optical methods for the determination of organic analytes using plasmonic nanostructures, 2D and 3D composite structures will be developed made of natural polymeric materials (chitosan, collagen, alginate) with immobilized nanoparticles of metals or their ions and indicator compounds with specified spectral and physico-chemical characteristics. Such structures will have a high sorption capacity with respect to the analyte and the sample matrix in order to increase the sensitivity and reproducibility of the analysis and reduce the response time of the sensor layer. The developments in these areas at the previous stage of the project implementation showed their promise, made it possible to carry out the determination of low- and high-molecular biologically active substances in matrices of complex composition without complicated sample preparation with high sensitivity and selectivity (including multiplex detection). In continuation of the development of the project, we will continue research with low-molecular compounds, markers of neurodegenerative and neuroendocrine diseases, as well as diagnostic proteins, but at the same time the range of objects will be expanded, primarily through cell cultures, biological fluids, where the determination of these compounds is extremely important; we will continue development of approaches to their multiplex determination, transition from the stage of in vitro analysis to ex vivo. In connection with the relevance of developing highly sensitive, selective and, most importantly, rapid sensor systems for diagnosing bacterial infections without preliminary inoculation of the biomaterial, approaches will be created for the determination of new classes of analytes - specific pigments (quinone, azaquinone, carotenoids, melanin, pyrrole, phenazine, pyrazine) and enzymes (catalase, cytochrome-C-oxidase) of various bacteria, including pathogenic ones. In order to develop effective methods for discrimination of water- and organic-soluble samples, we will develop a version of the "fingerprint" method proposed by us within the framework of the project, based on the use of the kinetic factor. New indicator reactions will be proposed (oxidation of carbocyanines, formation of hydrazones and azomethines) and on their basis simple and rapid methods of discrimination of fats, oils, foodstuffs, biological fluids will be developed, which will allow solving practical problems of determining the manufacturer, identifying counterfeits, diagnosing diseases, etc. Attention will also be paid to the use of the "fingerprint" method for the identification of drugs. All developed methods and approaches and developed sensor platforms based on them will be tested in the analysis of real samples.
Ожидаемые результаты 2023 г.: Будут созданы новые универсальные 2D- и 3D-полимерных матриц (пленки, гели, губки), которые будут служить одновременно основой нанокомпозитной сенсорной системы, сорбционным материалом для удерживания наночастиц различной природы, ионов металлов в на поверхности сенсора, различных индикаторов, а также для извлечения, концентрирования и направленного транспорта молекул-аналитов различной полярности из сред разного состава (в зависимости от задачи исследования). Будут выбраны наиболее эффективные синтетические и методические приемы конструирования оптической наноструктурированной поверхности в результате варьирования способов их получения под различные аналиты. Методами оптической, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии будет изучена и выбрана оптимальная морфология поверхности создаваемого материала. Будут разработаны индикаторные системы для определения молекул-маркеров бактериальных инфекций (диагностических пигментов и ферментов). Будут выбраны подходящие индикаторные реакции и предложены новые для использования в «методах отпечатков пальцев» и получены данные о влиянии стандартного набора модельных аналитов на их протекание. Будут разработаны простые и экспрессные способы дискриминации объектов сложного состава (напитков, продуктов питания, в том числе подвергнутых радиационной обработке для определения ее дозы, биологических жидкостей и др.). Будет создана линейка индикаторных реакций, протекающих в неводной среде и направленных на анализ органикорастворимых объектов; будут изучены свойства этих реакций в отношении органикорастворимых модельных аналитов. Будут разработаны эффективные методики дискриминации жирорастворимых объектов (моторных масел, пищевых жиров, топлив, эфирных масел и т.п.). Будет предложена кинетическая модель протекания некоторых наиболее важных реакций и определены константы скоростей отдельных стадий в этой модели. Хлорофилл а будет впервые использован в качестве аналитического реагента для определения бета-лактамных антибиотиков (на примере пенициллина) в виде флуоресцирующих тройных агрегатов.
Коллектив заявителей имеет значительный научный задел по созданию твердофазных сенсорных устройств, основанных на флуоресценции и спектроскопии комбинационного рассеяния, индикаторных систем на основе гелей и пленок из природных полимеров для определения биологически активных соединений различных классов. Коллектив имеет опыт по направленному синтезу наночастиц благородных металлов (Au и Ag), владеет навыками по получению наноструктурированных металлических (Ag, Au, Pt, Pd и др.), магнитных материалов и стабильных суспензий на их основе, в частности, с использованием различных методов химической гомогенизации для получения высокодисперсных материалов (метод пиролиза аэрозолей, магнетронное напыление, фотохимическое разложение, синтез в высококипящих растворителях, синтез в микроэмульсиях и др.) Авторами проекта созданы новые подходы к определению синтетических водорастворимых полимеров, в частности, дезинфектанта – полигексаметиленгуанидина (ПГМГ, торговые марки "Биопаг, "Полисепт"), методами флуориметрии и Рэлеевского рассеяния. Методики отличаются более широкими диапазонами линейности и более низкими пределами обнаружения, чем все известные оптические методы определения ПГМГ. Авторами проекта предложен вариант флуориметрического метода "отпечатков пальцев" («флуоресцентный язык» или «глаз»), заключающийся в добавлении к образцу флуорофора или смеси флуорофоров и измерении спектров флуоресценции или получении цифровых фотографий. Метод ценен в случаях, когда анализируемые образцы слабо флуоресцируют, или собственная флуоресценция не фиксируется имеющимся оборудованием, или дискриминирование образцов по собственной флуоресценции недостаточное. У заявителей имеются навыки эффективного использования сложного синтетического и аналитического оборудования отделения ФНМ ЦКП МГУ, в том числе оборудования, которое планируется непосредственно использовать для выполнения проекта.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 15 мая 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Разработка флуоресцентных сенсорных платформ на основе композитных материалов для определения биологически активных веществ в матрицах сложного состава |
Результаты этапа: В области кинетического метода «отпечатков пальцев» основные исследования 2023 года были посвящены разработке новых индикаторных реакций с целью расширения круга распознаваемых объектов. Предложено несколько новых индикаторных систем. Так, реализовано (по-видимому, впервые) предокисление белков с целью их распознавания оптическим методом. Методика гипохлоритного окисления системы белок – краситель оказалась эффективной для распознавания отдельных белков и образцов сычужных ферментов. Использование кинетического фактора позволяет использовать небольшое количество красителей в массиве: достаточно одного красителя, чтобы добиться полной дискриминации 6 белков, а двух – для достижения 100% правильности дискриминации 10 образцов сычужных ферментов. Методика проста и использует только коммерчески доступные реагенты. Данные обрабатывают с использованием стандартного программного обеспечения. Возможные перспективы разработанного подхода включают распознавание бактериальных штаммов и диагностику патологий с использованием образцов сыворотки крови. Специальные индикаторные реакции разработали для распознавания жирорастворимых объектов (что обусловило новизну этой работы). Реакции проводили в этаноле с небольшим количеством воды. Для распознавания 6 образцов моторных масел не потребовалось сенсорного массива – распознавание удалось провести с помощью одной реакции (окисление карбоцианинового красителя азотной кислотой). Предложенная нами реакция гидразида карбоцианинового красителя с 4 диметиламинобензальдегидом, несмотря на селективность к фторхинолонам, позволила полностью распознать яблочные соки ряда производителей и почвенные вытяжки почв разных типов. В целом, кинетический вариант метода «отпечатков пальцев» имеет хорошие перспективы для распознавания объектов самой разной природы. Ограничением метода является то, что при переходе к образцам другого типа требуется заново выбирать индикаторные реакции. В то же время, такой выбор облегчается наличием широкого круга процессов, которые можно использовать как индикаторные, поэтому можно считать этот подход достаточно универсальным. К другим преимуществам метода можно отнести высокую производительность за счет использования 96-луночных планшетов и фотографического принципа регистрации сигнала, использование стандартного программного обеспечения для оцифровки и обработки полученных фотографий, а часто также возможность правильной дискриминации с помощью всего лишь одной индикаторной реакции с коммерческим красителем. В 2023 году предложен ряд реакций для определения низкомолекулярных аналитов (лекарствнных веществ). Обнаружено селективное изменение окраски карбоцианинов, способных к замещению хлора, при взаимодействии с изониазидом и цефалоспоринами. Показана возможность определения цефлоспоринов в водном растворе с пределами обнаружения 2·10–5 М. Новая реакция образования азометина из гидразида карбоцианинового красителя и 4 диметиламинобензальдегида проявила селективность к фторхинолонам и позволила определить их в моче с пределом обнаружения 10 мкМ (для моксифлоксацина). Нативный хлорофилл использовали в реакциях образования агрегатов с лекаственным веществом и противоположно заряженным ПАВ для определения блеомицина, винорелбина, метотрексата и бензилпенициллина в водном растворе на уровне n·10–5– n·10–4 М. Эти результаты частично будут позже опубликованы как самостоятельные методики, частично будут использованы при развитии кинетического метода «отпечатков пальцев». Установлено, что хитозановые пористые структуры (губки), связанные с одним из компонентов индикаторной системы, способны увеличивать скорость фотометрических реакций для определения различных аналитов. Например, в случае реакции комплексообразования дофамина с ионами меди(II) и 4-аминоантипирином скорость реакции увеличивается примерно в 30 раз. Кроме того, плотное декорирование хитозановых губок наночастицами серебра позволяет получать перспективные трехмерные плазмонные структуры и повысить чувствительность определения широкого класса аналитов. Предложена универсальная безреагентная индикаторная система на основе оксид графена/Zn2+/ZnPc(COO-)16 для детектирования широкого круга биологически активных соединений различной природы. На примере актуального субстрата для определения различных биомаркеров 3,3',5,5’-тетраметилбензидина показано, что разработанная сенсорная платформа проявляет фотокаталитическую активность за счет образования синглетного кислорода при воздействии на слой фталоцианина света с длиной волны 600-700 нм. Свет красного и ближнего инфракрасного диапазона обладает меньшей токсичностью, что является преимуществом для анализа ex и in vivо. Последний факт также обеспечивает перспективность предложенной индикаторной системы для работы с биообъектами. | ||
2 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Разработка флуоресцентных сенсорных платформ на основе композитных материалов для определения биологически активных веществ в матрицах сложного состава |
Результаты этапа: |
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".
№ | Имя | Описание | Имя файла | Размер | Добавлен |
---|---|---|---|---|---|
1. | Соглашение с РНФ | Soglashenie_20-13-00330P.pdf | 274,4 КБ | 29 мая 2023 [beklem] |