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 20-73-00257

НазваниеКомбинаторная платформа на основе химически модифицированных псевдоморфных частиц серебра для экспресс-диагностики биологически активных веществ методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния

РуководительСеменова Анна Александровна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2020 - 06.2022

Конкурс№49 - Конкурс 2020 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, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словачастицы серебра, гигантское комбинационное рассеяние, наноструктурирование, псевдоморфы, плазмоника, медицинская диагностика

Код ГРНТИ31.15.19

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), обладающая рекордной чувствительностью в отношении молекулярных аналитов, в последнее время считается одним из перспективных подходов для развития современной биомедицинской диагностики. К основным преимуществам метода ГКР относят высокую чувствительность, несложную пробоподготовку, быструю регистрацию спектров, качественное определение молекул по характеристическим спектрам, уникальную возможность усиления сигнала комбинационного рассеяния (КР) на несколько порядков. Несмотря на кажущуюся простоту синтеза плазмонных наноматериалов, при своих рекордных характеристиках ГКР-метод обладает высокой степенью невоспроизводимости аналитического сигнала. Для решения этой ключевой проблемы в проекте планируется разработка новых наноструктурированных материалов с фиксированной агрегатной структурой, с заданным количеством «горячих точек» и коэффициентом усиления КР-сигнала за счет использования псевдоморфных частиц серебра. При этом роль различных наночастиц в аналитической системе будет задана путем предварительной химической модификации их поверхности для обеспечения внутреннего эталона («репортера»), а также селективного связывания с целевыми аналитами. За счет такого комбинаторного подхода искусственно будут созданы микросистемы частиц, адаптированные для целей конкретного использования и для проведения анализа заданных аналитов на уровне наномолярных концентраций с высокой чувствительностью, специфичностью и воспроизводимостью. В проекте будет осуществлен дизайн новых химически и морфологически модифицированных нанокомпозитов на основе серебра для разработки аналитичеких ГКР-систем, предназначенных для неразрушающего оптического контроля сильно разбавленных биологически активных молекулярных аналитов в химически сложных матрицах. Актуальность проекта обусловлена современными требованиями по развитию новых методик медицинской экспресс-диагностики, оперирующих с небольшими количествами биоматериала, в том числе для скрининга населения с целью выявления различных социально-значимых заболеваний, а также для проведения неразрушающего анализа биологических объектов. В ходе выполнения работ планируется разработать новые синтетические приемы создания ГКР-активных псевдоморфов на основе металлического серебра с заданными размерами, строением, площадью поверхности и стандартизированным коэффициентом усиления КР-сигнала модельных аналитов; выявить оптимальные подходы по химическому модифицированию псевдоморфов для дифференциации их роли в качестве внутренних стандартов или специализированных «ловушек» целевых аналитов; разработать методики создания микрогетерогенных аналитических систем для полуколичественного и воспроизводимого ГКР-анализа, используя направленное комбинирование различных фракций псевдоморфных частиц с заданными функциями; выработать практические предложения по созданию ГКР экспресс-систем с рекордными показателями чувствительности и специфичности анализа в интересах медицинского скрининга населения или персональной медицины.

Ожидаемые результаты
В проекте предлагается новый эффективный подход по дополнительному контролю над ГКР-активными системами, который призван решить одну из основных проблем ГКР-анализа важнейших аналитов, препятствующих его реальному широкому практическому применению, – низкую воспроизводимость получаемых результатов. Разработка данного подхода имеет малый риск и основана на многолетнем практическом опыте работы с ГКР-системами автора проекта (от диссертации до статей в ведущих научных журналах и патентов). Анализ литературы показывает, что типичная ситуация при публикации статей по ГКР-анализу включает либо фокусирование на рекордной чувствительности по определению аналитов (до фемтомольной концентрации), либо демонстрацию возможностей обнаружения различных сложных аналитов. Для использования метода в приложении к медицине актуальной задачей является создание менее чувствительной ГКР-системы с коэффициентами усиления на 6 – 8 порядков (типичный показатель для большинства статей), но имеющей высокую воспроизводимость результатов измерений и поэтому подлежащей последующей сертификации в случае возможного практического внедрения. Только такая система может обеспечить предварительный медицинский скрининг населения, проведение надежного экологического анализа, т.е. официально может быть использована в качестве диагностического метода в случаях проведения многочисленных пробных измерений одного и того же аналита или для мультиплексного анализа (на несколько аналитов одновременно), что вполне допускает ГКР-метод. Как уже отмечалось, основной вклад в коэффициет усиления КР-сигнала вносят «горячие точки», которые в проекте планируется контролировать за счет использования псевдоморфных частиц серебра, строение которых естественным образом подразумевает формирование фиксированной агрегатной структуры наночастиц при подборе оптимальных условий и метода их синтеза, что исключает один из существенных факторов невоспроизводимости ГКР-анализа с использованием наноструктурированных материалов. Второй фактор, который вносит существенный вклад в общую невоспроизводимость метода, связан с варьированием параметров возбуждающего лазерного излучения от прибора к прибору и от измерения к измерению, а также с физико-химическими и оптическими свойствами окружающей наноматериал среды (коэффициентом преломления, рассеяния, диэлектрической проницаемостью), представляющей собой сложные матрицы, типичные для биологических жидкостей и природных объектов. В подобных случаях в аналитической химии вынуждены использовать, как минимум, два подхода – внутренний стандарт, по отношению к которому происходит регистрация интенсивности остальных сигналов, а также селективное связывание с целевыми аналитами. Последний подход применяется также в нанохимии и осуществляется за счет использования молекул-линкеров. К сожалению, обычно очень сложно использовать оба этих подхода в применении ко всему ансамблю применяемых для ГКР-анализа наночастиц в связи с тем, что в основе явления ГКР лежат «эффекты близости» и неоднородности наноразмерного масштаба. В результате очень сложно предсказать, как добавки молекул-«репортеров» (обычно люминесцентных красителей в данном случае), молекул-линкеров, а также сами аналиты поведут себя в смеси при динамической сорбции и хемосорбции на наноструктурированном материале в процессе ГКР-анализа. В проекте предполагается отдельно и заранее подготовить частицы-«репортеры» (внутренний стандарт), частицы-«ловушки» целевых аналитов за счет ковалентного привития тех или иных молекул на стандартизированные по размеру и структуре псевдоморфные частицы металлического серебра, и лишь потом использовать их в составе контролируемых по содержанию фракций в аналитической ГКР-системе. Поскольку получение сигнала ГКР происходит не с отдельной плазмонной частицы, а с их ансамбля, такой комбинаторный подход, фактически впервые предлагаемый в данном проекте, позволит как зафиксировать «содержание» внутреннего эталона в анализируемой смеси, так и обеспечить селективное обнаружение целевых аналитов, их локализацию на поверхности частиц и в областях «горячих точек», что способствует достижению максимально возможных показателей коэффициента усиления. В качестве дополнительной опции предлагается использование «ловушек», формирующих с целевым аналитом комплексы с переносом заряда, что обеспечивает в ряде случает резонансное поглощение, возбуждение электронной системы комплекса, реализующего резонансный ГКР, который имеет существенно более высокий коэффициент усиления КР. Таким образом, в проекте при использовании ГКР платформы в виде стандартизированных псевдоморфных наночастиц серебра за счет их химического модифицирования будет создан целый спектр наночастиц с различными целевыми функциями, что позволит рассматривать их в качестве своеобразного «конструктора» аналитических ГКР-систем, адаптированных для целей конкретного практического использования в области современной медицинской и экологической диагностики. С фундаментальной точки зрения, соответственно, в проекте предполагается получение новых важных результатов в области развития синтетических подходов и дизайна наночастиц сложной формы и их направленной химической модификации. В результате разработки указанных систем и синтетических подходов будут получены практические результаты по созданию набора специализированных ГКР-систем для экспресс-анализа целевых аналитов в тех или иных сложных матрицах в форме капилляров для использования в комбинации с портативными КР-спектрометрами. Такие системы могут быть впоследствии применены в мобильном варианте, в промышленных аналитических лабораториях, в экологических экспедициях, в медицинских диагностических центрах и т.п. Таким образом, в случае успешной реализации проекта значимость полученных результатов может достигать федерального уровня с потенциалом их пилотного внедрения на уровне 3 – 5 лет. С учетом имеющегося задела есть высокий шанс, что фундаментальные результаты могут быть вполне сопоставимы с мировым уровнем, что позволит их опубликовать в одном из журналов, в которых у автора уже имеются публикации, или в журналах подобного уровня, в диапазоне от Q2 ("Mendeleev Communications") до материаловедческих междисциплинарных журналов Q1 ("ACS NANO", "Journal of Materials Chemistry A", "ACS Applied Materials & Interfaces", "The Journal of Physical Chemistry C", "CrystEngComm", "ChemComm").

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---