Аннотация результатов, полученных в 2018 году
По итогам выполнения данного этапа проекта изучены несколько типов наноаналитических систем на основе наночастиц металлов с поверхностным плазмонным резонансом для определения биологически активных веществ. Изученные наноаналитические системы включают коллоидные растворы наночастиц различной морфологии и функционализированных различными модификаторами, а также нанокомпозитные материалы на основе наночастиц и полимеров. На основании имеющихся в литературе сведений и результатов проведенных экспериментов выбраны наиболее перспективные направления исследований. В частности, в качестве перспективных нанообъектов для разработки методик определения биологически активных веществ предложены наночастицы золота и серебра, характеризующиеся цилиндрической и треугольной морфологией. В качестве основы твердофазных аналитических средств предложены полимерные матрицы, такие как пенополиуретан (для создания оптических сенсоров) и сверхсшитый полистирол (как основа для создания высокоэффективных магнитных сорбционных материалов). Осуществлен синтез и характеризация наночастиц металлов различного типа и морфологии – сферических наночастиц, наностержней, треугольных нанопластинок. Синтезированные наночастицы охарактеризованы методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, а также электронной дифракции. Проведено изучение возможности их функционализации модификаторами различной природы – анионами, катионами и полимерами. Проведен поиск и сравнение наноаналитических систем на основе синтезированных наночастиц с целью выбора наиболее перспективных с точки зрения определения биологически активных веществ. Так, показано, что хорошими перспективами обладают треугольные нанопластинки серебра, стабилизированные цитратом и поливинилпирролидоном. Их коллоидные водные растворы устойчивы, благодаря высокому отрицательному заряду на поверхности наночастиц и характеризуются интенсивной полосой поглощения в области 600–650 нм. Установлено, что как изменение морфологии, так и агрегативного состояния этих нанообъектов может быть использовано для разработки способов определения биологически активных веществ. Изучено взаимодействие треугольных нанопластинок серебра со структурно-родственными тиолами, отличающимися природой и свойствами функциональных групп. Показано, что в результате такого взаимодействия происходит агрегация треугольных нанопластинок и увеличение радиуса кривизны их углов. Данные изменения детектируются как изменение цвета с синего на красно-коричневый. А в спектрах поглощения водных коллоидных растворов нанопластинок исчезает полоса поверхностного плазмонного резонанса индивидуальных наночастиц и появляется полоса поглощения их агрегатов. На основании экспериментальных данных разработан способ определения тиолов с пределами обнаружения 0,002 – 0,009 мг/л. Показано, что способ селективен по отношению к многим неорганическим ионам и природным аминокислотам. По чувствительности он превосходит многие описанные в литературе методики определения с применением наночастиц серебра и разных методов химического анализа. Разработаны способы синтеза новых нанокомпозитов на основе наночастиц металлов различного типа и пенополиуретана с целью создания твердофазных наноаналитических систем для определения биологически активных веществ методом спектроскопии диффузного отражения и визуальной колориметрии. Показано, что для этих целей можно эффективно использовать сорбционный метод. Таким способом могут быть получены композиты наночастиц различной природы и морфологии. Показано, что способ применим к наночастицам, функционализированным различными модификаторами и обладающим разным зарядом. В случае высокого дзета-потенциала наночастиц предложен способ увеличения степени сорбции, основанный на добавлении к раствору наночастиц электролита-дестабилизатора. Помимо пенополиуретана, синтезированы нанокомпозиты на основе треугольных нанопластинок серебра и целлюлозы. Проведен синтез лабораторных образцов нанокомпозитов на основе пенополиуретана и целлюлозы и их характеризация методами сканирующей электронной микроскопии и спектроскопии диффузного отражения. Обоснована перспективность использования для концентрирования биологически активных веществ-нейротрансмиттеров магнитных нанокомпозитов на основе сверхсшитого полистирола. Благодаря суперпарамагнитным свойствам, сообщаемым нанокомпозитам присутствующими в их составе наночастицами, эти материалы легко отделяются от раствора с помощью постоянного магнита и в то же время могут быть легко ресуспендированы в отсутствии магнитного поля. Оптимизированы предложенные подходы и синтезированы лабораторные образцы нанокомпозитов. Проведена их характеризация современными методами анализа вещсетва и оценка возможностей использования в роли твердофазных реагентов, сорбентов и аналитических форм в целях химического анализа биологически активных веществ. Выявлены некоторые взаимосвязи между фундаментальными аспектами нанохимии разработанных наноаналитических систем и их оптическими и аналитическими свойствами. В частности, показано, что наиболее активной в химическом отношении морфологической модификацией наночастиц серебра (как в растворе, так и в матрице нанокомпозитного материала) являются треугольные нанопластинки. Анизотропия их формы позволяет использовать для достижения максимального аналитического эффекта при взаимодействии с биологически активными веществами как процессы агрегации, так и изменения морфологии треугольных нанопластинок. При этом оптические эффекты поверхностного плазмонного резонанса для них проявляются в длинноволновой области видимого спектра, что перспективно для разработки цветометрических и визуально-колориметрических методов анализа. Еще одним примером выявленных взаимосвязей является уменьшение активности наночастиц при их иммобилизации на полимерах. Этот эффект можно использовать для управления селективностью разрабатываемых методик, а также для создания более устойчивых твердофазных средств анализа (тест-средств, твердых аналитических форм). Показана большая роль природы и заряда стабилизатора наночастиц на аналитические свойства разрабатываемых с их использованием методик. Установлено, что наночастицы серебра, стабилизированные цитратом, поливинилпирролидоном и полигексаметиленгуанидинием, по разному проявляют себя при окислении пероксидами. Природа стабилизатора влияет не только на способность к окислению металлического ядра наночастицы, но и регулирует селективность этого процесса. Предложены способы определения пероксида водорода и органических пероксидов с пределами обнаружения 0,04-0,3 мкг/мл. Изучена возможность применения целлюлозы, модифицированной треугольными нанопластинками серебра, в роли чувствительного элемента сенсора. Использование такого сенсора в сочетании с динамической газовой экстракцией позволило разработать способ селективного определения иодидов с пределом обнаружения 0,01 мг/л. Способ основан на количественном мягком окислении иодидов до молекулярного иода железом(III) и последующей газовой экстракции воздухом, транспортирующим иод через слой нанокомпозита. Регистрация аналитического сигнала осуществляется методом цифровой цветометрии с использованием сканера. Способ хорошо зарекомендовал себя при анализе вод разного типа и образцов пищевых продуктов.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Получены научные данные о композитах пенополиуретана с наностержнями золота в качестве наноаналитических систем для определения нейромедиаторов. Оптимизирован сорбционный способ получения нанокомпозитов на основе пенополиуретана и наностержней золота. Показано, что эффективное модифицирование полимера наностержнями может быть достигнуто только при соответствующей их дестабилизации и уменьшении электрокинетического потенциала, препятствующего преодолению границы раздела фаз. Оценены фундаментальные параметры кинетики и термодинамики сорбции наностержней золота на пенополиуретане. Охарактеризована морфология нанокомпощитов. Найдены их спектральные характеристики. Показано, что в их спектрах присутствуют характерные полосы поверхностного плазмонного резонанса наностержней золота, растущие с увеличением их содержания на полимере. Показано, что зависимость функции Кубелки-Мунка в максимуме поглощения нанокомпозитов от величины удельной адсорбции линейна, что можно использовать для выбора содержания наностержней, необходимого для получения наноаналитических систем с требуемой интенсивностью спектральных полос. Разработаны подходы к созданию наноаналитических систем на основе наностержней золота и пенополиуретана для определения биологически активных веществ – нейромедиаторов. Показано, что полученные в данной работе нанокомпозиты, модифицированные нитратом серебра, представляют собой удобную в использовании твердофазную форму наноаналитического реагента для определения таких нейромедиаторов, как катехоламины. Для регистрации аналитического сигнала пригодны методы твердофазной спектроскопии или цветометрии, в том числе различные варианты цифровой цветометрии. Установлено, что взаимодействие нанокомпозитов на основе пенополиуретана и наностержней золота, модифицированных нитратом серебра, с катехоламинами сопровождается гипсохромным сдвигом максимумов в спектре диффузного отражения нанокомпозита и увеличением интенсивности полос поверхностного плазмонного резонанса. В результате взаимодействия с катехоламинами происходит изменение размера и формы наностержней золота. В качестве характеристики глубины протекания взаимодействия и аналитического сигнала предложено использовать величину сдвига коротковолнового максимума в спектре диффузного отражения нанокомпозита. Оптимизированы условия модифицирования нанокомпозитов и проведения взаимодействия с катехоламинами. Зависимость величины сдвига коротковолнового максимума наностержней золота на пенополиуретане от концентрации катехоламинов имеет линейный вид в области 0 – 10 мкМ, что положено в основу способов их определения методом спектроскопии диффузного отражения. Оценены пределы обнаружения адреналина, добутамина, норадреналина и дофамина. Показано, что увеличение объема реакционной смеси при необходимости можно использовать для увеличения чувствительности определения. Проведено сравнение нанокомпозитов на основе наностержней и нанокомпозитов сферических наночастиц золота. Установлено, что чувствительность определения катехоламинов с использованием нанокомпозитов на основе сферических наночастиц на порядок хуже определения при использовании нанокомпозитов на основе наностержней. Предложены новые способы определения катехоламинов с помощью композитов наностержней золота и пенополиуретана. По сравнению с водным коллоидным раствором наностержней, данные аналитические системы характеризуются повышенной селективностью по отношению к неорганическим ионам. Получены новые научные данные об аспектах нанохимии и аналитических возможностях нанокомпозитов на основе сверхсшитого полистирола и магнитных наночастиц оксида железа(II,III) в решении задач концентрирования биологически активных веществ. Разработан способ получения и синтезированы лабораторные образцы магнитных сорбентов на основе неорганической матрицы – цеолита. Показано, что магнитные сорбенты на основе цеолита обладают хорошими сорбционными характеристиками по отношению к ароматическим серосодержащим соединениям (на примере бензотиофена) при их концентрировании из водных сред, но малоэффективны в отношении таких биологически активных веществ, как нитрофураны. Показано, что магнитные сорбенты на основе сверхсшитого полистирола обладают хорошими сорбционными характеристиками по отношению к нейромедиаторам класса катехоламинов. Предложено использовать сверхсшитый полистирол для группового сорбционного концентрирования катехоламинов. Оптимизированы условия концентрирования норадреналина, адреналина и допамина на микроколонке, заполненной сверхсшитым полистиролом. Изучены возможности треугольных нанопластинок серебра для простого и быстрого спектрофотометрического определения нейротрансмиттеров (адреналин, допамин) и их метаболитов (гомованилиновая кислота, ванилилминдальная кислота). Установлено, что взаимодействие треугольных нанопластинок серебра с адреналином, норадреналином и допамином сопровождается гипсохромным сдвигом полосы поверхностного плазмонного резонанса наночастиц и изменением окраски растворов, в то время как при взаимодействии с гомованилиновой и ванилилминдальной кислотами происходит уменьшение ее интенсивности. Выявлены особенности влияния структуры соединения на взаимодействие. Изучено влияние pH, времени и концентраций реагирующих веществ на взаимодействие. Оценены пределы обнаружения катехоламинов и их метаболитов. Проведены исследования по изучению возможности определения биологически активных веществ по их влиянию на формирование нанокомпозитов наночастиц металлов. Предложена и отработана двухстадийная схема эксперимента, включающая сорбцию восстановителя – борогидрида натрия – на пенополиуретане и взаимодействие пенополиуретана, модифицированного борогидридом, с золотохлористоводородной кислотой или нитратом серебра, приводящее к образованию нанокомпозитов пенополиуретана с золотом или серебром соответственно. В рамках данной схемы впервые получен пенополиуретан, модифицированный борогидридом. Изучено влияние биологически активных веществ (тиосоединений и аминов) на формирование наночастиц в ходе описанной процедуры. Оптимизированы условия проведения синтеза нанокомпозитов, детально изучены их свойства. Установлено, что данная система может быть использована не только для получения нанокомпозитов, но и наночастиц в растворе. Показано, что присутствие тиосоединений или аминов на стадии формирования наночастиц приводит к уменьшению полосы поверхностного плазмонного резонанса, что можно использовать для определения веществ методом спектроскопии диффузного отражения.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе реализации проекта изучены особенности нанохимии аналитических систем на основе наночастиц золота и серебра, в которых возникновение аналитического сигнала сопряжено с формированием наночастиц, и показаны возможности их применения для определения биологически активных веществ (тиосоединений и аминов). В рамках этого направления изучены процессы стабилизации наночастиц, формирующихся в фазе нанокомпозита на основе пенополиуретана. Схема эксперимента включала взаимодействие пенополиуретана, модифицированного борогидридом натрия, с разбавленными растворами золотохлористоводородной кислоты в присутствии веществ, влияющих на формирование наночастиц золота – аминов и тиосоединений. Показано, что присутствие тиосоединений и аминов на стадии формирования наночастиц приводит к уменьшению выхода наночастиц и изменению спектральных характеристик нанокомпозитов (интенсивность полосы поверхностного плазмонного резонанса уменьшается). Этот эффект положен в основу способа определения веществ данных классов, в частности меламина. Высказано предположение о механизме влияния меламина, а также некоторых других аминов, и тиосоединений на формирование наночастиц в этих системах. Оценено влияние внешних факторов (рН, времени контакта фаз, концентрации прекурсора наночастиц и др.) на спектральные характеристики формирующихся нанокомпозитов. На основании систематизации и анализа полученных данных установлено, что основными рычагами управления проявлением аналитически значимых эффектов и свойств в данных наноаналитических системах являются величина рН и концентрация прекурсора металла в растворе для синтеза нанокомпозитов. Показано также, что ключевую роль в стабилизации формирующихся наночастиц играет пенополиуретан, делающий возможной адсорбционную иммобилизацию наночастиц, и природа аналита. Разработанные способы определения биологически активных веществ указанных классов характеризуются пределами обнаружения 0,7–1,5 мкМ. Их применимость на практике показана при анализе вод разного типа и фармацевтических препаратов. Разработанный способ определения меламина апробирован при анализе сухого молока и заменителя сухого молока. В рамках другого направления исследований изучены аналитические возможности наносистем на основе наночастиц серебра – треугольных нанопластинок, а также сферических наночастиц и их нанокомпозитов. Так, показано, что морфологические и агрегативные трансформации треугольных нанопластинок серебра, происходящие в результате восстановления на их поверхности серебра из ионов серебра, могут быть применены для определения биологически активных восстановителей и антиоксидантов, таких как аскорбиновая кислота и кверцетин, относящийся к классу флавоноидов. Показано, что в присутствии восстановителей наблюдается значительное увеличение интенсивности полосы поверхностного плазмонного резонанса нанопластинок и ее батохромный сдвиг более чем на 200 нм. Эти эффекты предложено использовать для определения указанных выше восстановителей. Помимо этого, на примере флавоноидов кверцетина, морина и дигидрокверцетина изучены аспекты формирования сферических наночастиц серебра на целлюлозе с целью создания микрофлюидных аналитических систем на основе бумаги для определения антиоксидантов этого класса. В рамках этого направления разработана концепция сборных микрофлюидных систем, которые представляют собой отдельные бумажные дисковые элементы (например, зона загрузки образца, зоны детектирования, содержащие спектрофотометрические реагенты, и т.д.), закрепленные на адгезионной подложке, роль которой выполнял лист полимера с клеевым слоем двустороннего скотча. Конструкция таких систем может быть легко видоизменена в зависимости от решаемой задачи. Изучены особенности регистрации аналитического сигнала наночастиц, формирующихся под действием флавоноидов на целлюлозе. Для измерения сигнала предложено использовать мини-спектрофотометр – калибратор мониторов как дешевую, доступную и компактную альтернативу профессиональному спектрометру диффузного отражения. Выявлено влияние различных факторов на величину аналитического сигнала. В частности, показано, что максимальный аналитический сигнал достигается при использовании зоны детектирования, содержащей нитрат серебра и щелочь и при нанесении спиртового раствора аналитов. Выбраны параметры, которые можно использовать для управления аналитическими характеристиками определения флавоноидов и оптимизации созданных микрофлюидных аналитических систем. Оценены аналитические характеристики определения флавоноидов с помощью сборных микрофлюидных систем на основе бумаги. Пределы обнаружения составили 2,3 – 14 мкг/мл (0,12 – 0,70 мкг). Сделан вывод о том, что данные системы пригодны для анализа малых количеств объектов с высоким содержанием флавоноидов. Их применимость на практике показана при определении кверцетина в настойке боярышника и луковой шелухе. Преимуществом предлагаемых систем является отсутствие необходимости сложной пробоподготовки, экспрессность и невысокая стоимость. Показана возможность снижения пределов обнаружения при использовании в составе микрофлюидной системы дополнительной зоны с магнитно-закрепленным сверхсшитым полистиролом для концентрирования аналитов из относительно больших объемов пробы. Степени извлечения указанных выше флавоноидов на магнитном сорбенте составляют 60 – 90 %. На примере морина установлено, что концентрирование позволяет повысить чувствительность определения в 5 раз. Нанокомпозиты целлюлозы с треугольными нанопластинками серебра предложены в качестве чувствительного элемента для определения галогенидов в варианте динамической газовой экстракции. Суть предлагаемого метода состоит в том, что галогениды (иодид, бромид, хлорид) последовательно селективно окисляют до соответствующих галогенов, которые отгоняют из раствора потоком воздуха, транспортирующим их через зону детектирования, где происходит окисление треугольных нанопластинок серебра. Регистрацию аналитического сигнала проводили методом цифровой цветометрии с использованием сканера. Отличие предлагаемого метода состоит в том, что он позволяет определять все основные галогениды в одной пробе. Помимо треугольных нанопластинок серебра, в ходе экспериментов изучена возможность применения классических реагентов для определения окислителей. Пределы обнаружения иодида, бромида и хлорида составляют 0,01, 0,02 и 0,04 мг/л соответственно. Метод апробирован при анализе морепродуктов и вод разного типа.