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 проекта 19-13-00283

НазваниеОптические сенсорные элементы на основе полимерных нанокомпозитов для экологического мониторинга и контроля качества нефтепродуктов

Руководитель Веселова Ирина Анатольевна, Доктор химических наук

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

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Оптические сенсорные элементы, гибридные материалы, нанокомпозиты, биополимеры, наночастицы благородных металлов, твердофазные индикаторные системы, экотоксиканты, экологический мониторинг, техногенные объекты, нефтепродукты, химический анализ

Код ГРНТИ31.19.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В предлагаемом проекте нами будут созданы универсальные инновационные нанокомпозитные пленочные покрытия на основе гибридных материалов: неорганических наноструктур (наночастиц благородных металлов: золота и серебра) и полимерных структур (биополимеров: хитозана, коллагена) в качестве основы твердофазных сенсорных элементов, адаптированных под серийно выпускаемое оптическое оборудование – портативные спектрометры комбинационного рассеяния, функционирующих в матрицах сложного (в том числе непредсказуемого) состава различной полярности в целях экологического мониторинга и контроля качества нефтепродуктов. Масштаб данной задачи достаточно велик (федерального уровня, с учетом высоко конкурентных исследований, проводящихся в данном направлении в мире, и междисциплинарности необходимых подходов), поскольку глобально охватывает фундаментальные изучение процессов и установление конкретных механизмов сорбции и «распознавания», усиление сигнала комбинационного рассеяния (эффект гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), реализующихся на микропористых полимерных поверхностях, модифицированных наночастицами золота и серебра, а также прикладные аспекты создания оптических сенсорных элементов и разработку методик для экспресс-мониторинга техногенных объектов и объектов окружающей среды без предварительной (или минимальной) подготовки проб к анализу. В связи с этим активно разрабатываются новые подходы к созданию высоко-чувствительных и селективных оптических сенсорных систем на основе наночастиц благородных металлов, нашедших применение для решения широкого круга задач химического анализа. Метод гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) или поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния (от англ. surface enhanced Raman scattering – SERS) основан на значительном усилении сигнала комбинационного рассеяния (КР). Увеличение интенсивности сигнала в 104 – 1012 раз возможно за счет эффекта плазмонного резонанса на наноструктурированной поверхности таких благородных металлов, как золото и серебро. На сегодняшний день эффект ГКР открывает новые уникальные возможности для снижения пределов обнаружения актуальных аналитов. Специфичность анализа достигается за счет измерения спектров ГКР в области «молекулярных отпечатков пальцев» (1500 – 650 см–1), обладающих высокой информативностью для распознавания индивидуальных органических соединений в смесях сложного состава, в матрицах полярной и неполярной природы. Однако гетероциклические ароматические маркеры качества нефтепродуктов и экотоксиканты способны поглощать свет исключительно в УФ диапазоне, что далеко по энергии от поверхностного плазмонного резонанса НЧС (~ 400 нм) и НЧЗ (~ 500 нм). Следовательно, эти молекулы будут давать на спектрах ГКР незначительные КУ, либо они будут совсем «невидимыми» для ГКР, что ни в одном из случаев не позволит определять эти соединения с требуемой чувствительностью. Таким образом, возникает необходимость перевода неокрашенных органических молекул-маркер в соединения, интенсивно поглощающие свет в видимом диапазоне спектра, то есть более длинноволновой области. Такой подход в применении спектроскопии ГКР / ГРКР (гигантского резонансного комбинационного рассеяния) для определения дибензотиофена, анилина, фенолов и их алкилпроизводных в топливе с использованием имеющегося в продаже портативного оборудования позволит открыть новые горизонты для развития спектроскопии ГКР в целом. Использование подхода, заключающегося в направленном модифицировании поверхности наноструктур и оптимизации способов их получения, может обеспечить высокую конкурентную способность метода ГКР в сравнении с современными методами по таким характеристикам, как доступность, экспрессность, простота подготовки проб к анализу, чувствительность, селективность. Следует ожидать, что дальнейшее расширение круга определяемых веществ и анализируемых объектов, улучшение метрологических характеристик уже существующих методик анализа, а также разработка новых методик, которые бы сочетали одновременное (мультиплексное) определение целевых аналитов на фоне матриц сложного состава позволит методу спектроскопии ГКР занять достойную нишу среди методов химического анализа, применяемых в критически важных областях человеческой деятельности, в том числе в целях мониторинга загрязнений окружающей среды. Актуальность поставленной задачи состоит в создании оптических сенсорных систем для мультиплексного определения ряда важнейших органических молекул-маркеров: (1) качества нефтепродуктов (серо- и азотсодержащих соединений: дибензотиофена, его алкилированных производных и окисленных форм, индола и его алкилированных производных); (2) идентификаторов техногенного загрязнения среды (полициклических ароматических углеводородов и фенолов). Научная новизна поставленной задачи состоит в разработке и создании инновационных сенсорных нанокомпозитных материалов с направленно подобранным химическим дизайном микропористой полимерной поверхности для регистрации усиленного аналитического сигнала (в том числе мультиплексного) методом ГКР. Достижение поставленной задачи возможно за счет использования набора эффективных синтетических и методических приемов конструирования сенсибилизированной поверхности, включая: (1) создание оптически прозрачных пористых пленок и гелей сшитого хитозана (методами ионной и ковалентной сшивки) – для более эффективной сорбции интересующих аналитов; (2) использование наноструктурированных металлических платформ – для регистрации усиленного на поверхности сигнала комбинационного рассеяния; (3) строгий контроль морфологии сенсорной поверхности методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) – для отслеживания за воспроизводимостью создаваемого материала; (4) функционализацию поверхности «распознающими» молекулами (за счет импрегнирования и иммобилизации компонентов индикаторных систем: вспомогательных распознающих реагентов) – для селективного образования поглощающих в видимой области комплексов различной природы, способных вступать в поверхностно-плазмонный резонанс с наночастицами благородных металлов (Ag – λmax ≈ 420 нм; Au – λmax ≈ 560 нм); (5) компьютерное моделирование для теоретического предсказания и интерпретации свойств полученных материалов и регистрируемого аналитического сигнала. Запланированные результаты по чувствительности, мультиплексности, селективности, воспроизводимости и экспрессности определения основных маркеров качества нефтепродуктов и загрязнителей окружающей среды будут достигаться посредством создания новых нанокомпозитных материалов и последующих фундаментальных исследований их свойств, варьирования и оптимизации таких параметров, как топология и химический дизайн разрабатываемых сенсорных поверхностей в целях улучшения метрологических характеристик разрабатываемых сенсорных методик; новых твердофазных индикаторных систем для каждой из групп аналитов; а также путем регистрации аналитического сигнала без предварительной пробоподготовки непосредственно в матрице образца, независимо от его состава, вязкости и полярности.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---