КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-73-10033

НазваниеРазработка и экспериментальная апробация безградуировочных оптических сенсоров, потенциально применимых для ранней экспресс-диагностики муковисцидоза

РуководительПешкова Мария Анатольевна, Кандидат химических наук

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

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-406 - Химическая термодинамика. Физическая химия поверхности и межфазных границ. Адсорбция

Ключевые словаэкспресс-анализ, муковисцидоз, потовый тест, массивы сенсоров, безградуировочные датчики, ионоселективные оптические сенсоры, функциональные полимерные материалы, полимерные мембраны, стандарты цвета, цифровой анализ цвета, градуировочная шкала, ионный обмен, необменная сорбция

Код ГРНТИ31.15.35


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект посвящен разработке и апробации фундаментального подхода к созданию массивов ионоселективных оптических сенсоров (оптодов), принципиально не нуждающихся в градуировке. Ценность решения заявленной проблемы обуславливается ограниченностью возможностей существующих сенсоров, в частности, оптических, для целей селективного определения ионов in situ, за счет необходимости периодической градуировки существующих сенсорных устройств. В ходе выполнения проекта будет впервые продемонстрирована теоретически возможность разработки безградуировочных массивов оптических сенсоров на основе ионофоров путем включения в массив шкалы стандартов оптического сигнала: «внутренней» градуировки. Предлагаемая теоретическая модель будет впервые включать математическое описание явления необменной сорбции электролитов раствора в оптическом сигнале как индикаторных, так и стандартных оптодов, при этом распределение ионов между сенсорной и водной фазами будет задаваться межфазным потенциалом. Этот подход является новым и более общим, чем существующие методы описания равновесий ионного обмена и необменной сорбции. Явление неидеальности доннановского исключения (необменная сорбция), имеющее большое влияние на аналитические характеристики смежных классов сенсоров, будет впервые теоретически и экспериментально исследовано и для полимерных оптодов, что представляет собой значимое достижение в области химических сенсоров. Экспериментальная проверка концепции «внутренних стандартов» оптического сигнала будет проведена на примере интересной практической задачи: создания гибкой сенсорной платформы, пригодной для ношения на кожном покрове и применимой для проведения потового теста при ранней диагностике муковисцидоза. Массив датчиков ионов натрия и хлора, в сочетании со шкалой стандартов оптического сигнала и автоматизированной регистрацией и обработкой сигнала при помощи смартфона, будет применен для безградуировочного определения Na+ и Cl- в модельных образцах и в потовой жидкости непосредственно на коже человека. Поскольку проблема необходимости градуировки характерна для всех типов существующих химических сенсоров, предложенное решение для оптических сенсоров вообще и полимерных гидрофобных оптодов, в частности, будет иметь прорывной характер для данной области. Достижение поставленной цели позволит в перспективе принципиальным образом расширить области применения оптических сенсоров для анализа и мониторинга недоступных ранее объектов: внутренних сред организмов, удаленных объектов и т.п.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет впервые продемонстрирована теоретически возможность разработки массивов безградуировочных оптических сенсоров на основе ионофоров путем создания шкалы стандартов оптического сигнала с высоким разрешением по оси концентрации. Будет получено модельное описание поведения полимерных оптодов на основе липофильных индикаторов, с подавленной обменной емкостью, в растворах различного состава. Будут изготовлены оптоды на основе распространенных липофильных индикаторов со сниженной концентрацией ионной добавки, систематически изучено их поведение в растворах различной природы и концентрации, влияние природы ионной добавки на оптический сигнал. Таким образом будет проведена экспериментальная проверка концепции получения элементов шкалы стандартов оптического сигнала для безградуировочных измерений с классическими индикаторными оптодами. Фундаментальная проблема необходимости градуировки характерна для всех типов существующих химических сенсоров, поэтому полученные теоретические и экспериментальные результаты будут не только соответствовать мировому уровню, но и носить прорывной характер для данной области. Будет разработана теоретическая модель, впервые описывающая влияние необменной сорбции электролитов раствора на оптический сигнал как индикаторных, так и стандартных оптодов, путем численного моделирования будут количественно определены границы применимости предлагаемого подхода к созданию внутренней градуировочной шкалы массивов оптодов в отношении концентрации и липофильности электролитов контактирующего раствора. Впервые распределение ионов между сенсорной и водной фазами будет задаваться межфазным потенциалом. Этот подход является новым и более общим, чем существующие методы описания равновесий ионного обмена и необменной сорбции, и представляет собой достижение мирового уровня в области химических сенсоров. Полученные теоретические результаты будут проверены экспериментально на классических индикаторных и на стандартных оптодах с пониженной обменной емкостью в растворах с различной липофильностью аниона. Таким образом, явление неидеальности доннановского исключения (необменная сорбция), имеющее большое влияние на аналитические характеристики всех типов полимерных сенсоров, будет впервые теоретически и экспериментально исследовано и для полимерных оптодов, что представляет собой ценный результат на мировом уровне в области химических сенсоров. Будет проведено количественное сравнение основных типов измерительных систем, используемых в колориметрии, и большинства доступных цветовых пространств для цифрового анализа цвета (RGB, HSB, XYZ Lab, CMYK, CieLab) по критерию «отношение сигнал/шум». Будет сделан вывод об оптимальной комбинации регистрирующего устройства, источников освещения и цветового пространства, а также оценены количественно адекватность использования смартфона для цветометрии и возможные потери сигнала в этом случае. Все эти вопросы ранее систематически не изучались, и результаты проекта в этом направлении будут иметь огромное практическое значение для всех областей, где колориметрия применяется в качестве количественного метода (пространственная визуализация градиентов различных параметров; физические, химические и биологические оптические сенсоры; картирование поверхностей с оптическим сигналом и т.п.). Разработанные в ходе выполнения проекта серия алгоритмов и соответствующих дополнений к ПО (Image J, Origin, R и/или MatLab), позволяющих регистрировать и обрабатывать оптический сигнал в автоматическом режиме, а также приложение для смартфона, позволяющее автоматизировать съемку (задавать интервал съемки, настраивать положение объекта в объективе по QR-коду) и обработку оптического сигнала, также будут представлять практический интерес для областей, где применяется цветометрия и необходим анализ больших массивов изображений. Конечным прикладным результатом проекта станет создание безградуировочной оптосенсорной платформы, применимой для проведения потового теста при ранней диагностике муковисцидоза без необходимости пробоотбора. Массив оптических сенсоров, содержащего как индикаторные (селективные к ионам Na+ и Cl-), так и стандартные элементы, собранные на гибкой прозрачной подложке, будет апробирован сперва в модельных образцах пота, а затем непосредственно на кожных покровах для безградуировочного определения Na+ и Cl- в потовой жидкости. Создание анализаторов пота, пригодных для ношения на коже, является несомненным трендом развития сенсорных устройств, отсутствие же решений в области пробоотбора при проведении потового теста обеспечит как научный, так и коммерческий интерес к предлагаемой разработке на мировом уровне. Таким образом, фундаментальные результаты проекта, полученные в ходе решения актуальной практической задачи безградуировочного определения ионного состава потовой жидкости, будут прорывными для области химических сенсоров вообще и оптических сенсоров, в частности. Впервые будут созданы работоспособные оптохимические сенсоры, не требующие градуировки. Имея общий характер для целого класса сенсорных систем, данный результат будет иметь как фундаментальную ценность, так и являться несомненным практическим достижением, позволяя в перспективе принципиальным образом расширить области применения оптических сенсоров для анализа и мониторинга сложных водных сред. Конечный результат проекта, помимо очевидной ценности аналитического применения, будет полезным не только для области полимерных сенсоров, но и для смежных направлений, к примеру, при разработке датчиков на основе биосовместимых гидрофильных полимеров, гидро- и золь-гелевых сенсоров, газовых сенсоров и т.д.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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/

 

Публикации

1. Тюфтяков Н.Ю., Калиничев А.В., Хайруллина Е., Гигиадзе Е.К., Пешкова М.А, Тумкин И.И. Simple and cost-efficient classification of ballpoint pen inks using digital color analysis Analytical Chemistry, 93, 12, 5015–5019 (год публикации - 2021).


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.

 

Публикации

1. Николай Ю. Тюфтяков, Андрей В. Калиничев, Надежда В. Похвищева, Мария А. Пешкова Digital color analysis for colorimetric signal processing: towards an analytically justified choice of acquisition technique and color space Sensors and Actuators B: Chemical, том 344, стр. 130274 (год публикации - 2021).

2. Похвищева Н.В., Гигиадзе Е.К., Калиничев А.В., Иевлев А.В., Тютюкин К.В., Пешкова М.А. Chronopotentiometric Evaluation of Ionization Degree and Dissociation Constant of Imidazolium-Based Ionic Liquid [C6Meim][NTf2] in Polymeric Plasticized Membranes Membranes, том 12, выпуск 2, стр. 130 (год публикации - 2022).