КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-73-00067

НазваниеНовые миниатюризированные и экологически безопасные методы химического анализа биологических жидкостей и пищевых продуктов

РуководительВах Кристина Степановна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-205 - Аналитическая химия

Ключевые словаХимический анализ, методы пробоподготовки, методы разделения и концентрирования, автоматизация и миниатюризация химического анализа, лекарственные вещества, биологические жидкости, пищевые продукты.

Код ГРНТИ31.19.29

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Важной задачей современности является обеспечение качественной жизни человека, которая реализуется в предоставлении социальных и медицинских гарантий, безопасности окружающей среды и употребляемых пищевых продуктов. В частности, переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения представляет особый интерес как со стороны государства, так и со стороны ученых-химиков. В области аналитической химии уделяется большое внимание объектам, связанным со здоровьем человека, таких как, биологические жидкости и пищевые продукты. Химический анализ этих объектов, ввиду сложного состава матрицы и зачастую следовых содержаний интересующих аналитов, требует разработки новых методов, основанных на актуальных достижениях науки, позволяющих проводить надежное определения целевых аналитов. Кроме того, современные тенденции обеспечения экологической безопасности окружающей среды диктуют правила реализации химического анализа в условиях его автоматизации и миниатюризации. Миниатюризация химического анализа отражается в уменьшении масштабов аналитических процедур на всех стадиях химического анализа, в том числе пробоподготовке, которая может быть реализована в условиях автоматизации. В рамках данного проекта будет разработан комплекс новых миниатюризированных и экологически безопасных методов химического анализа биологических жидкостей и пищевых продуктов, основанных на принципах жидкостной и твердофазной микроэкстракции, позволяющих обеспечить селективное и чувствительное определение целевых аналитов, в качестве которых планируется использовать антибактериальные лекарственные вещества. Миниатюризация стадии пробоподготовки, позволит радикально сократить расходы пробы, экстрагентов, реагентов, а также образующихся отходов. В случае жидкостной микроэкстракции планируется реализовать идею in-situ генерирования фазы экстрагента из гомогенного раствора пробы. Такая идея представляет особый практических интерес, поскольку позволяет значительно увеличить площадь контакта фаз, а следовательно - скорость экстракция, за счет равномерного распределения микрочастиц экстрагента в фазе пробы в момент химического или физического воздействия на экстракционную систему. В первом случае in-situ генерирование фазы экстрагента будет осуществлено непосредственно в узлах гидравлической схемы проточного анализатора. При этом, в качестве экстрагентов будет использован новый класс органических растворителей с «переключаемой гидрофильностью», которые способны существовать в растворе в гидрофильной или гидрофобной форме в зависимости от кислотности экстракционной системы. Разработанная схема будет впервые реализована для определения антибиотиков сульфаниламидной группы в биологических жидкостях и позволит достигнуть высоких коэффициентов концентрирования, за счет использования малых объёмов экстрагента, что в свою очередь обеспечит крайне низкие приделы обнаружения аналитов. Проведение анализа в условиях автоматизации устранит возможное загрязнение пробы, обеспечит высокую точность и воспроизводимость полученных результатов. Во втором случае будет реализована идея in-situ генерирования фазы экстрагента за счет вращения мембранного диска, импрегнированного экстрагентом с низкой температурой плавления. Нагревание экстракционной системы будет приводит к его выделению из диска в фазу пробы в жидкой форме. Такой подход впервые будет реализован для определения антибиотиков фторхинолонового ряда в биологических жидкостях и позволит исключить введения дополнительных химических реагентов в экстракционную систему для выделения фазы экстрагента, сохраняя при этом высокую чувствительность анализа. Для твердофазной микроэкстракции будут изучены новые магнитные наноматериалы, которые будут впервые применены для селективного и высокоэффективного извлечения целевых аналитов из продуктов питания. Возможности твердофазной микроэкстракции с использованием новых магнитных сорбентов будут представлены на примере определения антибиотиков тетрациклиновой группы в пищевых продуктах. Аналитические возможности новых методов будут установлены на примере химического анализа конкретных биологических жидкостей и пищевых продуктов, а их правильность будет подтверждена референтными методами.

Ожидаемые результаты
Будет разработан новый миниатюризированный метод химического анализа биологических жидкостей, включающий микроэкстракционное выделение аналитов в растворитель с «переключаемой гидрофильностью» и предполагающий in-situ генерирование органической фазы из гомогенного раствора. Растворители с «переключаемой гидрофильностью» являются новым классом экстрагентов, которые стали активно использоваться в жидкостной микроэкстракции среди мировых ученых, в первую очередь благодаря их уникальным свойствам «переключать» гидрофильность/гидрофобность за счет простого изменения рН системы. Для обеспечения высокой воспроизводимости и производительности анализа стадия микроэкстракционного извлечения аналитов из пробы будет реализована непосредственно в шприцевом насосе проточного анализатора, что позволит использовать минимальные объемы экстрагента, сохраняя при этом высокую точность отбора конкретного объёма. Для последующего определения целевых аналитов в экстрактах будет изучена возможность их детектирования методом высокоэффективной жидкостной хроматография (ВЭЖХ) с ультрафиолетовым детектированием. Будет изучено влияние химических и физических параметров на эффективность извлечения целевых аналитов из биологических жидкостей в различные экстрагенты с «переключаемой гидрофильностью», в качестве которых будут исследованы высшие карбоновые и фосфорорганические кислоты. Найденные решения будут апробированы на примере определения антибиотиков сульфаниламидной группы в пробах мочи, слюны и плазмы крови. Автоматизация и миниатюризация метода позволит значительно сократить трудовые затраты, увеличить производительность анализа, свести к минимуму образование отходов и обеспечить более экономное потребление реактивов. Будет разработан новый миниатюризированный метод анализа пищевых продуктов, включающий магнитную твердофазную микроэкстракцию аналитов с использованием новых синтезированных сорбентов с последующим элюированием аналитов и их определением с помощью ВЭЖХ с масс-спектрометрическим детектированием, что позволит обеспечить рекордно низкие пределы обнаружения, требуемые для такого рода образцов. Для селективного извлечения целевых аналитов будет изучен новый сорбент на основе модифицированного поверхностно-активными веществами магнетита с высокой удельной поверхностью, что позволит достигнуть высокой эффективности сорбции при использовании минимальных количеств сорбента. Планируется использовать динамический режим перемешивания частиц сорбента в суспензии пробы, что позволит значительно ускорить процесс сорбции тем самым сократить время анализа. В качестве возможных элюентов будут исследованы растворы кислот, оснований, а также комплексонов. Найденные решения будут апробированы на примере определения антибиотиков тетрациклинового ряда в пробах пищевых продуктов. Использование магнитной твердофазной микроэкстракции значительно упростит процедуру пробоподготовки за счет магнитной сепарации с применением внешнего магнитного поля. Будет разработан новый миниатюризированный метод анализа биологических жидкостей, включающий дисперсионное микроэкстракционное выделение аналитов в экстрагент, после его in-situ образования при вращении мембранного диска. В этом случае планируется исследовать экстрагенты обладающие низкой температурой плавления, таких как высшие спирты (>C9) и высшее карбоновые кислоты (>C8). Для удерживания фазы экстрагента будет использоваться диск с интегрированной мешалкой. Диск будет импрегнированный жидкой фазой экстрагента, которая при температуре 4-8 °С способна застывать. Такой диск с интегрированной магнитной мешалкой будет помещаться в раствор пробы и при перемешивании и нагревании выше температуре плавления экстрагента будет наблюдаться постепенное in-situ образование и диспергирование органической фазы, что позволит увеличить площадь массообмена между органической фазой и фазой пробы. Найденные решения будут апробированы на примере определения антибиотиков фторхинолонового ряда в пробах мочи и плазмы крови. Такой подход позволит обеспечить высокую скорость проведения микроэкстракции за счет интенсификации перемешивания фазы экстрагента в пробе и как следствие его диспергированию, без применения дополнительных веществ-диспергаторов. Комплекс разработанных миниатюризированных методов обеспечит высокую производительность, селективность, чувствительность анализа в сочетании с низким расходом пробы, реагентов и образующихся отходов. Разработанные методы будут иметь значимость, как для развития общей методологии методов разделения и концентрирования, так и для аналитической практики в целом. Кроме того, комплекс методов полностью отвечает тенденциям развития современной аналитической химии как на Всероссийском, так и мировом уровне, направленных на соблюдение принципов «зеленой аналитической химии» и экологическую безопасность химического анализа. Разработанные методики могут найти применение в прикладных медицинских лабораториях, выполняющих рутинный анализ биологических жидкостей и направленных на исследование распределения антибактериальных веществ в биологических жидкостях конкретного человека с учетом индивидуальных особенностей его метаболизма и, как следствие, позволяющие выбрать правильные пути терапии заболевания. Методика анализа пищевых продуктов может быть использована в испытательных лабораториях для обеспечения контроля качества пищевых продуктов (в частности, детского питания) с целью исключения следовых количеств антибактериальных средств способных вызывать аллергические реакции у потребителей.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Для выделения и концентрирования антибиотиков сульфаниламидового ряда из биологических жидкостей впервые реализован микроэкстракционный метод, предполагающий in-situ образование дисперсной фазы экстрагента в жидкой фазе пробы за счет введение в изотропный раствор экстрагента монотерпенового вещества. Новый микроэкстракционный метод был автоматизирован на принципах проточного анализа и предполагает выполнение процедур пробоподготовки в шприцевом насосе. Для реализации нового микроэкстракционного метода в качестве экстрагентов были изучены высшие карбоновые и фосфорорганические кислоты, а также первичные амины. Было показано, что эффективность извлечения сульфаниламидов выше в первичные амины, что может быть связано с гораздо сильнее выраженными кислотными свойствами сульфаниламидной группы у аналитов, что обеспечило большую способность аналитов экстрагироваться в амины в гетерогенной реакции кислотно-основного взаимодействия. Среди монотерпеновых соединений были изучены ментол и тимол, при этом последний обеспечивает лучшую сходимость результатов испытаний. Схема анализа была успешно апробирована при определении аналитов в пробах сыворотки и плазмы крови. Кроме того, была разработана схема анализа предполагающая хемилюминесцентное детектирование сульфаниламидов и включающая использование нового катализатора, синтезированного на основе гидроксиапатита, который относится к биосовместимым и экологически безопасным материалам. Установлено, что сульфаниламиды способны оказывать эффект тушения на аналитический сигнал, интенсивность которого прямо пропорциональна концентрации аналита и как следствие эта зависимость может быть применена для целей химического анализа сульфаниламидов в различных матрицах. Для определения антибиотиков тетрациклиновго ряда в продуктах питания была предложена схема анализа включающая твердофазную микроэкстракцию. Был синтезирован ряд сорбентов на основе магнетита и гидроксиапатита. В качестве модификаторов были исследованы поверхностно-активные вещества, органические кислоты и комплексообразующие агенты. Выявлено, что сорбент на основе гидроксиапатита модифицированного нитрозо-Р-солью обеспечивает наибольшую эффективность сорбции аналитов. С целью исключения применения органических растворителей на этапе пробоподготовки в качестве элюента использовали муравьиною кислоту. Для увеличения скорости наступления межфазного равновесия использовался динамический режим перемешивания частиц сорбента в суспензии пробы, что позволило значительно ускорить процесс сорбции тем самым сократить время анализа. Установлено, что для проведения эффективного извлечения целевых аналитов достаточно 10 мг сорбента, при этом время сорбции/десорбции не превышает 15 мин. Найденные решения апробированы на примере определения антибиотиков тетрациклинового ряда в пробах пищевых продуктов.

 

Публикации

1. Богданова П., Почивалов А., Вах К., Булатов В. Supramolecular solvents formation in aqueous solutions containing primary amine and monoterpenoid compound: Liquid phase microextraction of sulfonamides Talanta, Volume 216, 15 August 2020, 120992 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.talanta.2020.120992

2. Вах К., Кузьмин А., Садетская А., Богданова П., Вознесенський М., Осмоловская О., Булатов А. Cobalt-doped hydroxyapatite nanoparticles as a new eco-friendly catalyst of luminol–H2O2 based chemiluminescence reaction: Study of key factors, improvement the activity and analytical application Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 237 (2020) 118382 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.saa.2020.118382

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Для выделения и концентрирования антибиотиков фторхинолонового ряда из биологических жидкостей впервые реализован микроэкстракционный метод, предполагающий in-situ импрегнирование плоской вращающейся мембраны с одновременным извлечением целевых аналитов. Новый микроэкстракционный метод обеспечил селективное выделение антибиотиков офлоксацина и флероксацина за счет образования ион-парных ассоциатов с бромтимоловым синим, их извлечением в хлороформ и поглощением органической фазы порами вращающейся гидрофобной мембраны. Предложенный подход позволил сократить объем применяемого экстрагента до 20 мкл, исключить стадию центрифугирования и обеспечить высокую воспроизводимость результатов анализа (СКО не превышало 7 %). Для детектирования аналитов применяли селективную хемилюминесцентную реакцию. Производительность анализа составила 7 проб/час. Схема анализа была успешно апробирована при определении аналитов в пробах сыворотки крови и мочи, при этом анализ мочи более предпочтительный с точки зрения неинвазивности.

 

Публикации

1. Вах К.С., Ликанов Г.С., Булатов А.В. Stir flat sheet membrane liquid phase microextraction for the selective chemiluminescence determination of ofloxacin and fleroxacin in human urine Microchemical Journal, V. 163, 105913 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.microc.2020.105913

2. Малкова К.П., Сюккалова Е.А., Осмоловская О.М., Вах К.С. Сорбционное концентрирование антибиотиков тетрациклинового ряда на гидроксиапатите для их последующего определения в сложных матрицах Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2020» [Электронный ресурс], №88, Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2020» [Электронный ресурс] / Отв.ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов. – Электрон. текстовые дан. (1500 Мб.) – М.: МАКС Пресс, 2020. (год публикации - 2020)

Возможность практического использования результатов
Важной задачей современного общества является контроль содержания антибактериальных лекарственных веществ в биологических жидкостях и в объектах окружающей среды. С одной стороны это вызвано необходимостью оптимизации терапии заболевания и оценкой фармакокинетических параметров, а с другой – проблемой распространения антимикробной резистентности. В рамках проекта предложен ряд новых подходов и методов позволяющих решать эти задачи с учетом общей современной тенденции, направленной на экологическую безопасность химического анализа. Научно-техническая продукция может быть использована в испытательных лабораториях для обеспечения контроля качества продуктов питания, кормов, водных сред, а также медицинских учреждениях - для персонализированного подхода к лечению пациентов. Разработанные схемы анализа могут быть адаптированы к практикуму «Методы разделения и концентрирования» для студентов 4 курса Института Химии СПбГУ.