Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе выполнения работ по проекту в течение первого года, были оптимизированы материал и геометрия массива датчиков на примере набора из 8-24 хорошо изученных натрий-селективных сенсоров. Путем сравнения характеристик отклика оптодов (амплитуды и воспроизводимости) на разных подложках были выбраны наиболее подходящие материалы для создания массива оптических сенсоров для мониторинга питательных гидропонных сред. Выбраны материалы тефлон, стекло, полипропиленовая лента. На основании статистических данных о воспроизводимости оптического сигнала от сенсора к сенсору, был выбран метод нанесения жидкой оптодной композиции: капельное нанесение при помощи хроматографического микрошприца, а также оптимизированы геометрия и толщина сенсорных пленок: подобраны форма и глубина полостей на подложке. Подходящими для подготовки подложки оказались корончатое, малое цилиндрическое и шариковое сверла. Оптимальный объем капли наносимой жидкой оптодной композиции составил 0.2-0.3 мкл. Путем сравнения времени отклика оптодов с различными защитными покрытиями, был найден оптимальный материал для предотвращения загрязнения поверхности сенсоров компонентами реальных образцов. Им оказался диализный фильтр из ацетата целлюлозы с размером пор 12 14 кДа. В ходе разработки оптодов для определения общей солености водной среды, были изготовлены оптоды, содержащие малоизвестный липофильный заряженный индикатор TPBE. Путем фитинга зависимостей оптического отклика такого оптода от pH была определена неизвестная ранее константа кислотности TBPE в полимерной фазе (5.82 ± 0.12 лог. ед.), оказавшегося наиболее кислым из всех коммерчески доступных. Были смоделированы отклик и спрогнозированы свойства оптического сенсора общей солености раствора в зависимости от используемого индикатора. Получен оптический отклик такого оптода на основе TBPE в интересующем диапазоне общей ионной силы раствора. На основании измерений оптического сигнала мембран, содержащих различные индикаторы, при помощи цветной и монохромной камер, было проведено сравнение HSB и RGB цветовых пространств для цифрового анализа цвета и определена оптимальная измерительная система для регистрации колориметрического сигнала в зависимости от используемых индикаторов. Было проведено статистическое исследование полученных данных: проводилась нормализация компоненты цвета на единичную сферу; расчёт среднего нормализованного вектора, полученного из усреднения данных 5 фотографий; расчёт расстояния между каждым i-м из 5 векторов и средним вектором; расчёт угла между данными векторами; расчёт среднеквадратичного отклонения (СКО) угла между векторами; расчёт соотношения сигнал/шум (SNR). В общем случае, оказалось, что для различных используемых индикаторов необходим индивидуальный выбор комбинации источника света, детектора и цветового пространства. При этом в большинстве случаев наилучшим оказалось RGB цветовое пространство, а максимальное соотношение сигнал/шум было получено в системе с монохромной камерой и светодиодными источниками освещения, с максимумами эмиссии, соответствующими пикам поглощения используемого индикатора. В обеих измерительных системах цветовое пространство RGB обеспечивало более высокую амплитуду отклика по сравнению с пространством HSB. Впервые было показано, что использование пространства HSB вызывает смещение точки перегиба отклика в область более кислых растворов, или, другими словами, в сторону более разбавленных по катиону металла, согласно основному уравнению отклика оптодов. Была оптимизирована цветокоррекция сигнала датчиков при макрофотографировании. Было показано, что цветокоррекция по стандартам цвета, соответствующим реальным оттенкам исследуемых объектов, приводит к более точным и воспроизводимым результатам, чем по традиционно используемым стандартам белого и серого, как в процессе изучения (градуировки) сенсоров, так и в процессе их применения для анализа образцов. Были впервые созданы стандарты цвета на основе тех же липофильных индикаторов, что используются и в сенсорных пленках. Было продемонстрировано, что вариацией количественного состава можно изменять цвет конкретного стандарта, не выводя его за рамки спектра, характерного для оптических датчиков. При этом цвет стандарта остается независимым от состава раствора и обеспечивает адекватные результаты при использовании в реальных образцах (сыворотка крови). Результаты данного этапа исследований изложены в публикации Andrey V. Kalinichev, Nadezhda V. Pokhvishcheva, Maria A. Peshkova, Novel color standards for digital color analysis of optochemical sensor arrays, Talanta, 197 (2019) 638-644. Путем теоретического анализа диффузионной природы отклика объемных оптических сенсоров впервые была показана принципиальная возможность измерений с оптодами в неравновесном режиме (до достижения полного равновесия ионного обмена или необменной сорбции между оптодом и водной фазой). Было продемонстрировано, что такой режим измерений позволяет сократить время анализа в 2-4 раза за счет незначительного либо не критического снижения амплитуды оптического отклика. Полученные теоретические выводы были подтверждены экспериментально на примере натрий-селективных оптодов и оптодов, чувствительных к индивидуальной активности ионов водорода. Результаты определения катионов натрия в модельных образцах в неравновесном режиме продемонстрировали его практическую работоспособность: время анализа одного образца составило 1.5 мин вместо получаемых в равновесном режиме 5 мин. Результаты данного этапа исследований опубликованы в статье Andrey V. Kalinichev, Nadezhda V. Pokhvishcheva, Maria A. Peshkova, Significant Reduction of Analysis Time with Bulk Sensors Operating in Nonequilibrium Mode, Analytical Chemistry, 2019, 91 (8), 5362–5370. Были впервые получены константы необменной сорбции для нитрат-селективных оптодов на основе ионофора NO3 VI путем фитинга градуировочных зависимостей оптодов различного состава основным уравнением оптического отклика. На основании полученных данных, был выбран нитрат-селективный оптод, оптимальный для измерения нитрат-аниона в гидропонных средах. Он содержал орто(нитрофенил)октиловый эфир в качестве пластификатора и 100 ммоль/кг нитратного ионофора IV. Константа необменной сорбции составила 7.86 в лог. ед. Отклик оптодов K+, Ca2+, Mg2+, Na+, NH4+, Cl был впервые смоделирован при варьировании их состава (концентрации индикатора, ионофора и ионной добавки). Затем по полученным расчетным кривым отклика были извлечены те значения концентраций компонентов мембраны, которые обеспечили отклик достаточной крутизны и амплитуды в диапазоне интересующих концентраций. Данный процесс был алгоритмизирован в виде скрипта в среде MatLab. Оптоды рассчитанных составов, а также оптимизированный нитрат-селективный оптод, были изготовлены в виде индивидуальных массивов и протестированы в чистых градуировочных растворах. При этом экспериментальные рабочие диапазоны сенсоров оказались близки к теоретическим и перекрывали области интересующих концентраций аналитов. Оптоды всех типов были собраны в единый массив на тефлоновой подложке, который был затем опробован в смешанных растворах гидропонных электролитов в пределах интересующих концентрационных диапазонов. Большинство изготовленных сенсоров в составе массива обеспечивают высокочувствительный, близкий к линейному отклик на соответствующие аналиты в диапазонах концентраций, характерных для гидропонных сред, в полном соответствии с теоретическими расчетами. Для создания датчика железа (III), работоспособного в необходимой области концентраций, были впервые оценены стехиометрия и константа устойчивости комплексов железа (III) и коммерчески доступного порфиринового лиганда (Fe(III) ионофор IV) в водно-метанольных растворах. По результатам спектрофотометрического титрования раствора порфиринового лиганда (L) раствором FeCl3 была оценена стехиометрия порфиринового комплекса железа (III). Было обнаружено, что возможно образование комплексов со стехиометрией металл:лиганд 2:1 и 3:1. По интенсивности поглощения на длине волны 450 нм были оценены константы комплексообразования порфирина с железом (III) для комплексов обеих стехиометрий: Стехиометрия 2:1 (M2L): lgK(M2L) = 10.90±0.02 Стехиометрия 3:1 (M3L): lgK(M2L) = 21.9±2.0

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе выполнения проекта, был исследован ряд ионных жидкостей, в том числе, на основе аминокислотных анионов, для использования в качестве «равнораспределяющегося» электролита («жидкостного соединения») в целях стабилизации межфазного потенциала на границе полимерная фаза – раствор. В результате были получены оптоды, демонстрирующие отклик на активность индивидуального ионного компонента (протона). Было впервые получено теоретическое описание системы полимерная мембрана – раствор в случае, когда сильно диссоциированный липофильный электролит QB присутствовал в полимерной мембране, а относительно гидрофильный электролит IX доминировал в растворе. На основании условий равновесия распределения этих электролитов между водной и полимерной фазами, материального баланса и макроскопической электронейтральности, получили строгие и приближенные условия стабилизации межфазного потенциала в терминах допустимых значений коэффициентов распределения ионов липофильного электролита. Строго получили, что должно выполняться равенство соотношений коэффициентов распределения ионов двух электролитов: kI/kX = kQ/kB: в этом идеальном случае гидрофильный электролит не влияет на межфазный потенциал ни при каких сопутствующих условиях, таких, как концентрации частиц в обеих фазах и абсолютные значения их коэффициентов распределения. Приближенные условия стабилизации межфазного потенциала позволили рассчитать допустимые значения межфазного потенциала и, соответственно, коэффициента распределения электролита QB для обычно используемых объемов фаз и адекватных коэффициентов распределения гидрофильных электролитов. При помощи прямой потенциометрии показали, что что добавление ИЖ в полимерную мембрану стабилизирует потенциал электродов, а значит, и межфазный потенциал на границе раздела фаз, делая его мало зависимым от природы и концентрации электролитов раствора. При этом изучили поведение 13 типов мембран на основе известной ионной жидкости бис(трифторметансульфонил)имида 1-гексил-3-метилимидазолиния, а также новых ионных жидкостей на основе 1-бутил-3-метилимидазолиния и анионов различных аминокислот (лейцина, валина, лизина и гистидина). Согласно полученным данным, композиции на основе С6mimNTF2 и на основе валина представляются наиболее перспективными кандидатами для разработки ионных оптодов и электродов сравнения без жидкостного соединения, поскольку их потенциал в наименьшей степени зависит от состава раствора и стабилен во времени. Был также обнаружен и применен тот факт, что добавление высоколипофильной и сильно диссоциированной органической соли ETH500 к полимерным композициям резко снижает (в 10 раз) сопротивление мембран и увеличивает стабильность межфазного потенциала. Был сделан вывод о применимости ИЖ на основе аминокислот и С6mimNTF2 для выработки оптических сенсоров индивидуальной ионной активности (либо электродов сравнения без жидкостного соединения). https://www.gazeta.ru/science/news/2019/08/15/n_13345273.shtml https://indicator.ru/chemistry-and-materials/luchshie-instrumenty-dlya-analiza-rastvorov-15-08-2019.htm На основе изученной ионной жидкости С6mimNTF2, были изготовлены оптоды, чувствительные к индивидуальной ионной активности протона. Получили, что оптоды с содержанием ИЖ выше 40% в пластифицирующей смеси, не имеют отклика на катионный состав раствора, сохраняя при этом значимый отклик на pH. Также было показано, что добавление ИЖ в состав оптических сенсоров позволяет управлять диапазоном отклика сенсора, были определены константы обмена оптодов в зависимости от содержания ИЖ. Была получена зависимость времени отклика оптодов от содержания ИЖ, с минимумом при 40% ИЖ от общего количества пластифицирующей смеси. Таким образом, была найдена оптимальная композиция (40% ИЖ), позволяющая не только использование в качестве сенсора для независимого определения pH в составе массива датчиков, но и обладающая меньшим, по сравнению с мембранами без ИЖ, временем отклика. На основании полученных ранее данных о стехиометрии и константе устойчивости комплексов железа (III) и коммерчески доступного порфиринового лиганда (ионофор IV) был рассчитан состав оптода, обеспечивающий отклик на железо (III) в необходимом диапазоне концентраций. Для этого было получено теоретическое описание отклика оптода, основанного на заряженном хромоионофоре и нейтральном ионофоре, с произвольной стехиометрией комплексообразования MXLY. На основании полученного уравнения отклика была изготовлен оптод на основе заряженного индикатора TBPE, который проявил, в полном соответствии с расчетом, отклик в диапазоне концентраций, характерном для гидропонных сред. На основании рассчитанного на первом этапе выполнения проекта состава оптода на соленость среды, были изготовлены оптоды на основе заряженного индикатора TBPE. Они проявили отклик на общее содержание катионов в растворе, соответствующее диапазону солености гидропонных сред. при этом было обнаружено неплохое соответствие между расчетной и экспериментальной кривыми отклика. Таким образом, таблица оптимальных составов оптодов для измерения электролитного состава гидропонных сред дополнилась данными об оптодах на железо (III) и общую соленость: В ходе выполнения проекта были оптимизированы источники освещения для цифровой макросъемки оптодов на основе каждого из индикаторов и изготовлена новая установка для измерений на основе выбранных светодиодов (ultra-red, ultra-green, bluish-green) и монохромной камеры. Были разработаны оптоды с фиксированным и постоянным значением оптического сигнала α (от 0 до 1 с интервалом 0.1): компоненты цветовой шкалы для безградуировочного определения аналитов. При уменьшении содержания обменника по сравнению с индикатором в оптоде, не содержащем ионофора, в интересующей нас области pH, наблюдали, в соответствии с теорией оптодного отклика, полную потерю чувствительности оптода к составу раствора. При этом значение сигнала α остается на конкретном фиксированном уровне. Такие оптоды с фиксированным значением сигнала были добавлены в массив датчиков, что позволило регистрировать оптический сигнал рабочих сенсоров без необходимости градуировки, путем сравнения цвета рабочих оптодов с цветом стандартов сигнала. Впервые теоретически и экспериментально было рассмотрено влияние необменной сорбции электролита раствора катион-селективными оптодными мембранами. Было получено теоретическое описание необменной сорбции в оптическом отклике на основании численного решения системы уравнений, содержащей условия ионообменного равновесия, устанавливающегося между оптодной и водной фазами, равновесия необменной сорбции аниона раствора, материального баланса и электронейтральности для полимерной фазы. Результаты моделирования показали, что необменная сорбция оказывает сильное влияние на оптический отклик, заметно сдвигая его в щелочную область при увеличении липофильности аниона раствора, а также обуславливая появление максимума на кривой отклика на активность электролита при переходе от катионной оптодной функции в анионную при повышении липофильности и/или концентрации аниона. Теоретические закономерности были исчерпывающе подтверждены экспериментально на примере Na+-селективных оптодов. Сделан вывод о том, что необменную сорбцию в отклике ионоселективных оптодов необходимо учитывать, если в растворе присутствуют в значимых концентрациях анионы с липофильностью иодид-аниона и выше. Были изготовлены датчики всех типов в виде массива на тефлоновой подложке с защитным покрытием из ацетата целлюлозы. Массив оказался работоспособным в смешанных растворах гидропонных электролитов в пределах интересующих концентрационных диапазонов, в полном соответствии с теоретическими расчетами. Большинство изготовленных сенсоров в составе массива обеспечивают высокочувствительный, близкий к линейному отклик на соответствующие аналиты в диапазонах концентраций, характерных для гидропонных сред. Полученный массив был апробирован в реальных образцах гидропонных сред двух составов (Чеснокова и Кнопа). Измерения содержания различных ионов, pH и общей солености в образцах при помощи разработанного массива продемонстрировали его работоспособность: в большинстве случаев, относительная ошибка определения ионных компонентов не превысила 10%, чего вполне достаточно для контроля гидропонных сред. При этом точность определения ключевых аналитов в составе образцов также удовлетворительна (расхождение с заданной концентрацией менее 18%). Таким образом, разработанное устройство на основе оптических сенсоров является потенциально применимым для мониторинга гидропонных сред при выращивании агрокультур.