Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе первого этапа выполнения проекта были решены следующие задачи согласно плану исследований:  Получено модельное описание поведения полимерных оптодов на основе липофильных индикаторов, с подавленной обменной емкостью, в растворах различного состава  Разработанная модель протестирована экспериментально; выявлены границы ее применимости  Получено модельное описание оптодного отклика в условиях необменной сорбции Проведены задельные исследования для успешной реализации проекта в следующем году:  Разработаны критерии выбора оптимальных систем экспресс-регистрации колориметрического сигнала (тип камеры, источники освещения, цветовое пространство для анализа сигнала). Полученные результаты и алгоритмы потоковой количественной обработки изображений протестированы на примере практической задачи: классификации чернил шариковых ручек по динамике их старения. Получено модельное описание поведения полимерных оптодов на основе липофильных индикаторов, с подавленной обменной емкостью: предложена система уравнений для численного решения; рассчитан отклик оптодов, содержащих лишь липофильный индикатор и различное количество ионной добавки, в зависимости от состава раствора; подобраны параметры и получены численные решения системы в виде зависимостей оптический сигнал – состав раствора с учетом различных факторов (качественного и количественного состава оптодной мембраны; образования ионных пар в полимерной фазе; вымывания и разложения активных компонентов сенсора). Результаты расчета оптического отклика элементов шкалы и индикаторных датчиков были получены в виде зависимостей α – доли депротонированного индикатора, от состава раствора (pH либо активности катионов металла). Была теоретически подтверждена концепция, лежащая в основе создания безградуировочных массивов оптических сенсоров: оптический сигнал стандартов был строго стабилен на уровнях, определяемых содержанием ионной добавки. Таким образом, было подтверждено теоретически, что, задавая различные концентрации ионной добавки, меньшие, чем концентрация индикатора в мембране, можно добиться различных постоянных значений оптического сигнала и получить оптоды – стандарты оптического сигнала. Расчет отклика стандартных оптодов при различных pKa индикаторов продемонстрировал возможность настройки области стабильности сигнала путем выбора оптимального индикатора для применения в конкретных интересующих образцах. Полимерные оптические сенсоры на основе различных индикаторов и с различным содержанием ионной добавки в составе соответствующих массивов с Na+-селективными индикаторными оптодами были протестированы в растворах различной природы и концентрации, при варьировании pH и солевого фона. Были получены экспериментальные зависимости относительного оптического сигнала от рН и от активности катионов натрия в растворе для исследуемых стандартов и индикаторных оптодов, которые продемонстрировали хорошее соответствие предложенному теоретическому описанию. Было показано, что диапазон стабильности сигнала цветовых стандартов действительно можно оптимизировать для конкретной задачи посредством изменения pКа используемого хромоионофора, что также согласуется с теоретическим описанием. Экспериментальное исследование влияние типа ионной добавки на закономерности функционирования предложенных стандартов сигнала выявило оптимальных кандидатов для использования в составе элементов шкалы. Были получены модельные и экспериментальные данные, описывающие процессы вымывания и фотодеградации ионных добавок в составе оптодов. Наблюдаемая экспериментально стабильность оптического сигнала позволяет ожидать функционирования шкалы стандартов в диапазоне рН 5-9 в растворах солей концентраций по меньшей мере до 0.1 М, даже в растворах липофильных катионов и анионов, что демонстрирует возможность анализа широкого спектра реальных образцов. Полученные стандарты оптического сигнала были протестированы для безградуировочного определения активности Na+ в модельных образцах. Результаты валидации демонстрируют возможность достаточно точного определения активности катиона натрия в образце с помощью внутренней шкалы. Таким образом, результаты эксперимента подтверждают возможность создания шкалы оптического сигнала на основе оптодов с заданным содержанием хромоионофора и различными количествами ионной добавки для проведения анализа при помощи оптических сенсоров в безградуировочном режиме. При этом предложенная изначально теоретическая модель не только адекватно описала экспериментальные данные, но и позволила предсказать саму возможность разработки такой шкалы. Было разработано теоретическое описание явления необменной сорбции электролита раствора как для стандартных, так и для индикаторных оптодов. Получены численные решения в виде зависимостей оптического сигнала как индикаторных, так и стандартных оптодов от состава раствора при различных значениях коэффициентов распределения ионов раствора и концентрации электролитов раствора, а также параметров сенсорной фазы: концентраций активных компонентов, констант кислотности индикатора и устойчивости комплексов ион-ионофор. Анализ полученных зависимостей позволил выявить фундаментальные закономерности, позволяющие снизить влияние необменной сорбции на поведение стандартных оптодов путем выбора оптимальных условий проведения измерений, продлить область стабильности оптического сигнала. Таким образом, можно сделать общий вывод, что применение оптодов с подавленной обменной емкостью в качестве стандартов оптического сигнала возможно в широкой области pH и концентраций фонового электролита (не менее 4 лог. ед.), а негативное влияние необменной сорбции на эту тенденцию будет проявляться в растворах с концентрацией выше 0.1 М либо содержащих ионы с коэффициентами распределения выше 10-3. Для индикаторных оптодов было обнаружено, что коэффициент распределения гидрофильного аниона оказывает заметное влияние на pH-отклик оптода при значениях выше 10-4. При этом увеличение коэффициента распределения приводит к увеличению чувствительности отклика оптода, а также сдвигу диапазона отклика оптода в сторону более высоких рН. На расчётных кривых катионного отклика был впервые обнаружен максимум, который отражает переход от катионного отклика к анионному. При увеличении коэффициента распределения аниона раствора сокращаются чувствительность, амплитуда и диапазон отклика оптода. Полученные результаты указывают на то, что нельзя пренебрегать необменной сорбцией даже в растворах, содержащих относительно гидрофильные анионы, но присутствующие в высоких концентрациях. Был предложен универсальный критерий применимости измерительных систем и цветовых пространств для количественной колориметрии: параметр робастности (устойчивости системы к флуктуациям условий измерений). Были оценены значения робастности цветной камеры микроскопа с лампами накаливания в качестве источников освещения и монохромной исследовательской камеры со светодиодными источниками освещения, а также двух цветовых пространств: RGB и HSB. Результаты оценки робастности различных систем измерения в комбинации с различными цветовыми пространствами позволяют заключить, что надежность цифрового анализа цвета и вообще количественной колориметрии может быть повышена за счет корректного выбора системы источник освещения/детектор/цветовое пространство, а для большинства сенсоров на основе липофильных индикаторов оптимальной является комбинация монохромной камеры, светодиодных источников освещения и пространства RGB. Полученные выводы представляют общий интерес для всей области цветометрии объектов, обладающих оптическим сигналом, а не только полимерных оптических сенсоров, что было продемонстрировано на практическом примере: классификации чернил шариковых ручек по динамике их старения. Путем регистрации цвета различных типов чернил в зависимости от времени при постоянном УФ-облучении получили кинетические кривые старения образцов. Для описания кривых была использована полиномиальная модель, параметры которой и использовались для классификации (различения между собой) рассмотренных типов ручек при помощи иерархического кластерного анализа. Удалось выделить 6 классов чернил против 5, найденных независимым методом спектроскопии КР. Таким образом, была показана высокая информативность цифрового анализа цвета и возможность получения точных и надежных результатов без использования дорогих инструментальных методов. Имеются основания полагать, что предложенный подход при его дальнейшем развитии может выступить в качестве простой методики определения возраста письменных артефактов. http://chem.spbu.ru/all-news/3194-khimiki-spbgu-razrabotali-effektivnyj-podkhod-k-klassifikatsii-chernil-sinikh-ruchek-na-osnove-prostogo-fotografirovaniya-acs-analytical-chemistry.html https://xn--m1afn.xn--p1ai/news/presidential-program/podkhod-k-klassifikatsii-chernil-sinikh-ruchek/

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе второго этапа выполнения проекта была подтверждена качественно и количественно справедливость теоретического описания явления необменной сорбции водного электролита полимерными мембранами оптодов, получены экспериментальные кривые отклика полимерных оптодов в условиях необменной сорбции. Обнаружено, что повышение липофильности водного аниона приводит к смещению отклика оптода в щелочную область, а последовательность наблюдаемого сдвига коррелирует с рядом Гофмейстера липофильности анионов. На кривых оптического отклика на катион металла впервые был экспериментально обнаружен максимум, предсказанный модельным описанием, разработанным на первом этапе выполнения проекта. В максимуме катионная оптодная функция переходит в анионную, что полностью согласуется с общепризнанной теорией отклика полимерных мембран ионоселективных электродов в области проявления необменной сорбции. Положение максимума по обеим осям определяется липофильностью аниона и pH раствора. На основании полученных экспериментальных кривых отклика был разработан новый подход, позволяющий оценивать константы необменной сорбции из значений абсциссы точки перегиба на кривой отклика. С помощью этого подхода были уточнены параметры модели, описывающей необменную сорбцию в отклике оптодов. При концентрациях липофильного фонового аниона около 10-3 М и выше происходит постепенное ухудшение характеристик отклика оптодов: чувствительности и амплитуды отклика. Между тем, медиана отклика смещается в сторону более концентрированных растворов. Изменения градуировочной кривой, связанные с анионным влиянием, могут вызывать значительные погрешности при аналитических измерениях катиона аналита в образцах, содержащих неизвестную концентрацию липофильного аниона. Поэтому использовать шкалу оптических стандартов при безградуировочных определениях аналитов в неизвестных образцах следует применять при отсутствии в них липофильных анионов в заведомо высокой концентрации. Одноимпульсным гальваностатическим методом исследованы электролитические свойства ионной жидкости C6MeimNTf2 и твердого электролита ТБА-ТББ in situ в полимерной сенсорной фазе: получены значения концентрации носителей заряда, их средние коэффициенты диффузии, степень диссоциации и константа диссоциации используемых электролитов. Получены зависимости этих величин от содержания электролитов в полимерной фазе, для ИЖ C6MeimNTf2 на этих зависимостях обнаружен экстремум. Таким образом, обнаружен эффективный инструмент управления транспортными и электролитическими свойствами органических электролитов в полимерных сенсорных мембранах. Впервые для сенсорных мембран был применен метод ЯМР-диффузометрии при оценке коэффициентов диффузии частиц в полимерной матрице и их электролитических свойств, была доказана его работоспособность. Проведена оценка адекватности использования коммерчески доступных смартфонов для количественной колориметрии. Для этого были зарегистрированы градуировочные зависимости для натрий-селективных оптодов различных составов с использованием классической прецизионной установки и камеры смартфона (iPhone SE). Обнаружено, что градуировочные кривые, полученные с помощью двух разных установок для регистрации сигнала, совпадают, поэтому можно сделать вывод о принципиальной применимости смартфонов для количественного анализа при помощи оптодов. Параметр робастности для исследовательской камеры оказался всего в 10 раз выше, чем для камеры смартфона в условиях одинакового освещения. Параллельно был разработан ряд скриптов для автоматической цветокоррекции и математической обработки оптического сигнала. Были впервые описаны свойства оптодов следующего состава: хромоионофор/ионообменник/умеренно-липофильный электролит (QB); хромоионофор/ионофор/умеренно-липофильный электролит. Были получены численные решения в виде зависимостей оптический сигнал – состав раствора при реалистичных значениях соответствующих параметров, характерных для исследуемых сенсоров. Для системы хромоионофор/ионофор/умеренно-липофильный электролит была обнаружена независимость отклика от фоновой активности парного иона при сохранении pH-функции, при этом липофильность QB варьировалась в широком диапазоне. Таким образом, впервые независимый от катиона раствора оптический отклик на pH был подтвержден теоретически, доказывая высказанные ранее предпосылки для создания оптодов, чувствительных к индивидуальной ионной активности. Впервые теоретически была доказана концепция стабилизации межфазного потенциала, и, как следствие, подавления ионного обмена, движимого именно этим потенциалом, за счет внесения УЛОЭ в мембрану. Такой характер отклика позволяет преодолеть основную фундаментальную проблему оптодов – зависимость сигнала от активности сразу пары ионов (водного катиона и pH), представляя собой, по сути, оптический аналог гальванической ячейки с переносом в потенциометрии. Методами цифровой микрофотографии с последующим цифровым анализом цвета и спектрофотомерии тонких пленок для оптодов на основе УЛОЭ TOctABArF были получены экспериментальные градуировочные кривые по pH при различных фоновых концентрациях хлорида натрия (10-1-10-5 М). Обнаружено, что, действительно, внесение УЛОЭ TOctABArF в мембрану приводит к совпадению кривых pH-отклика в широком диапазоне фоновых концентраций электролита, что подтверждает применимость таких оптодов для независимого определения pH как индивидуальной ионной активности. Для исследования гистерезиса оптического отклика стандартов сигнала были получены последовательные градуировки в прямом (рост рН/активности катиона металла в градуировочных растворах) и обратном (снижение рН/активности катиона металла) направлении. Обнаружено, что гистерезис отклика практически не проявляется в области постоянного оптического сигнала стандартных элементов. Были изучены причины нестабильности сигнала оптодов, содержащих ионообменник KTpClPB: путем непрерывной макросъемки оптического сигнала оптодов, содержащих один и тот же хромоионофор, но разные ионные добавки, в течение нескольких часов были получены кинетические зависимости содержания протонированной формы хромоионофора от времени. Оказалось, что потеря ионной добавки происходит согласно затухающей экспоненциальной зависимости с характеристическим временем порядка 13 мин. Было обнаружено, что причиной быстрой потери KTpClPB при постоянном освещении является фоторазложение по радикальному механизму. Был сделан вывод, что применение KTpClPB в качестве ионообменника в оптодных мембранах возможно только при использовании оптодов в условиях периодического кратковременного освещения. Для тестирования ионоселективных оптодов и всего массива в целом, был проведен поиск модельных сред, имитирующих потовую жидкость. Для создания искусственных образцов пота были отобраны кислый и щелочной составы по ГОСТ Р ИСО 11641-2015, а также нейтральный состав по British Standard BS EN1811-1999. На основании расчетных зависимостей сигнала оптодов от состава раствора для 14 возможных рабочих композиций для дальнейшего экспериментального изучения были отобраны по три 3 натрий-селективные композиции для функционирования при pH 5.5, pH 6.5 и pH 8.0. Для создания хлорид-селективных оптодов пока удалось выявить составы, функционирующие в интересующем диапазоне концентраций только при pH 6.5. Была оценена воспроизводимость геометрии и сигнала оптодов при капельном нанесении вручную: относительный разброс оптического сигнала составил 3-10% при наличии значительных выбросов (до 30%), а относительный разброс геометрии составил 8% для площади и 4 % - для диаметра получаемых пленок. Совместно с предприятием IronBio (https://ironbio.tech/) был разработан прототип прецизионного устройства для автоматической печати массивов капель объёмом от 100 нл.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе третьего года выполнения проекта были оптимизированы и протестированы в растворах искусственного пота индикаторные натрий- и хлорид-селективных оптоды массива. В качестве матрицы для приготовления градуировочных растворов использовали модельные среды, имитирующие потовую жидкость. Оптоды были протестированы в чистых растворах и в модельных образцах потовой жидкости, был оценен гистерезис отклика и его аналитические характеристики. В большинстве случаев степени извлечения в образцах составили более 95%, что позволяет сделать вывод о потенциальной применимости исследованных составов для определения катиона натрия и хлорид-аниона при проведении потового теста. Теоретически и экспериментально была выявлена роль липофильных электролитов в отклике оптических сенсоров, независимых от фоновой концентрации водного электролита. На основании теоретической модели, разработанной на первом этапе выполнения проекта, был рассчитан отклик систем, содержащих умеренно-липофильный электролит (QB) для создания сенсоров независимого определения pH (оптодов индивидуальной ионной активности). Для этих же систем был смоделирован потенциал на границе фаз раствора и оптодной мембраны. Зависимость межфазного потенциала от активности парного иона для оптодов, содержащих QB, имеет горизонтальный участок, что коррелирует с независимостью оптического сигнала от концентрации фонового электролита. Предположение о частичной стабилизации межфазного потенциала для оптодов, содержащих липофильный электролит, было подтверждено при помощи родственного класса сенсоров – ионоселективных электродов (ИСЭ). Электроды с высоким содержанием QB показали достаточно высокую стабильность по сравнению с электродами с низким содержанием соли. Был сделан фундаментальный вывод о том, что при внесении в мембрану умеренно липофильного электролита потенциал на границе фаз действительно частично стабилизируется, благодаря чему возможно создание оптодов, чувствительных только к изменению pH раствора. Теоретически и экспериментально было показано, что варьированием липофильности катиона Q+ и аниона B– можно управлять диапазоном отклика оптодов на основе QB. Большинство экспериментально изученных оптодных композиций не имело натриевого отклика, при сохранении pH-функции. Такой характер отклика позволил преодолеть основную фундаментальную проблему оптодов – зависимость сигнала от активности сразу пары ионов (водного катиона и pH), представляя собой, по сути, оптический аналог гальванической ячейки с переносом в потенциометрии. Оптоды на основе липофильных электролитов для независимого определения pH были протестированы в искусственных и реальных образцах. Оптодная композиция, содержащая QB TOctBArF, была апробирована в модельных образцах методом «введено-найдено». Для всех образцов наблюдалось совпадение в пределах погрешности измеренных потенциометрически и оптически значений рН. Дополнительно была проведена кросс-валидация полученных сенсоров. Результаты кросс-валидации подтверждают результаты апробации методом «введено-найдено». Для определения возможности применения оптодов в объектах со сложной матрицей была проведена апробация сенсоров в образцах яблочного сока. Было обнаружено совпадение в пределах погрешности результатов потенциометрических и оптических измерений. Для приближения к количественному соответствию между расчетными и экспериментальными данными в ходе выполнения третьего этапа проекта было продолжено развитие метода ЯМР-диффузометрии для оценки транспортных (коэффициенты диффузии) и электролитических (степень диссоциации) свойств органических электролитов в полимерных мембранах. Была оптимизирована методология эксперимента и анализа получаемых данных для диффузометрии ЯМР в ПВХ-мембранах. Метод был применен в широком диапазоне концентраций модельного мембранного электролита – ИЖ C6MeimNTf2 – в ПВХ матрицах, содержащих также классический пластификатор ДОС. Немонотонный характер зависимости и порядок полученных значений коэффициентов диффузии и степени диссоциации ИЖ совпадает с данными, полученными ранее хронопотенциометрическим методом. Было разработано и протестировано устройство для точной печати капель объёмом от 100 нл. Были достигнуты необходимые параметры воспроизводимости геометрии (менее 4% относительного разброса по площади и менее 2% – по диаметру) и сигнала получаемых пленок (менее 10% разброса). Толщина пленок составляет 5-10 мкм в зависимости от вязкости исходной сенсорной композиции, индивидуальные оптодные пленки имеют диаметр 0.2-0.3 мм. Были оптимизированы протоколы работы с устройством. Таким образом стало возможным получать массивы оптических сенсоров, имеющих стандартизированные размеры. Был создан прототип конечного устройства (сенсорной платформы) на основе водонепроницаемого полиуретанового пластырь, на клейкий слой которого наносилась подложка для размещения сенсоров. В качестве материала подложки были исследованы полупрозрачный политетрафторэтилен (TF) толщиной 20 мкм, полипропилен двух типов (PP), полиэтилентерефталат (PET), полиэфир (3М). Для оценки их применимости было изучено взаимодействие носителя с оптодным составом. Для этого оценивалась воспроизводимость спектров поглощения пленок в видимой области на протяжении 12 дней. Был сделан вывод, что наиболее оптимальными материалами для дальнейшего изучения являются полиэфир и тефлон, поскольку для них наблюдается достаточно высокое значение амплитуды сигнала в начале эксперимента и незначительное ее падение в первые дни. Было исследовано время отклика оптодов на различных подложках. В качестве наиболее оптимальных материалов согласно этому критерию были выделена полиэфир и полипропилен. Для защиты сенсоров от прямого соприкосновения с кожей и загрязнения кожным жиром использовали защитный гидрофильный слой (мембрану): армированный ацетат целлюлозы, нитроцеллюлозу или поликарбонатную трековую мембрану. Время отклика сенсоров ожидаемо увеличилось по сравнению с сенсорами без покрытия из-за наличия дополнительной преграды между раствором и оптодной мембраной. Для уменьшения времени отклика оптодов под подложкой была разбавлена непосредственно оптодная композиция, что уменьшило время отклика до 1 мин за счет утончения самих полимерных сенсорных пленок. Массив для безградуировочного определения ионов Na+, Cl- в поте был протестирован на модели кожного покрова. Для этого был сфотографирован участок кожи предплечья и дальнейшие градуировки проводили на его фоне. Для оценки применимости камеры смартфона было проведено две градуировки с различными устройствами для фотографирования: цветной камерой микроскопа и мобильным телефоном. Несмотря на произведенную цветокоррекцию, изменение цвета фона по сравнению с белым привело к небольшому увеличению погрешности, при сохранении динамического диапазона. Чувствительность регистрации смартфоном несколько снижена относительно камеры микроскопа, но в целом достаточна для диагностических целей. Готовый массив сенсоров состоял из градуировочных сенсоров и индикаторных, по которым происходит определение содержания натрия и хлорида в исследуемых образцах. Градуировочные оптоды (стандарты) имели постоянное значение сигнала, не зависящее от содержания аналитов в исследуемых растворах. Полученные массивы были протестированы в реальных образцах биологических жидкостей: мочи, разбавленной 0.01 M HEPES, и потовой жидкости. Содержание аналитов было определено при помощи классической градуировочной зависимости для индикаторного оптода, и при помощи встроенной градуировочной шкалы. Содержание катионов натрия в образце, определенное по данной шкале, оказалось близким к значению, полученному из традиционного градуировочного графика для индикаторных оптодов. Хорошая сходимость полученных значений позволяет сделать вывод о работоспособности методики с использованием массива градуировочных сенсоров без предварительной градуировки индикаторных оптодов.