Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологических решений по получению наноструктурированных гибридных мембран и созданию потенциометрических мультисеносорных систем на их основе для безреагентного экспресс-мониторинга водных технологических сред

Номер контракта: 14.577.21.0005

Руководитель: Бобрешова Ольга Владимировна

Должность: профессор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
гибридные мембраны, функционализация, наноструктурирование, мультисенсорные системы, потенциометрические сенсоры, ионный транспорт, хемометрика, технологические среды, безреагентный экспресс-мониторинг

Цель проекта:
1. Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. Стремительно растущие требования к нормам контроля за состоянием технологических объектов и объектов окружающей среды приводят к необходимости разработки и внедрения экспрессных методов, позволяющих одновременно определять концентрации компонентов таких сред. Современный высокоточный анализ (ВЭЖХ, масс-спектрометрия) водно-органических сред различного назначения не позволяет проводить in situ определение, предполагает длительность, сложность пробоподготовки и анализа. Данные методы требуют использования сертифицированных лабораторий, высоко квалифицированного персонала и дорогостоящего оборудования, недоступного для большинства отечественных медицинских учреждений, коммунальных хозяйств, пищевых и фармацевтических производств, контролирующих организаций. Анализ состояния отечественного производства устройств для экспресс-анализа водных сред свидетельствует об отставании России от высокоразвитых стран в области исследований, разработки и внедрения подобных решений. Как правило, отсутствие экспересс-методов анализа тормозит разработку регламентирующих норм мониторинга технологических сред, а также контроля качества пищевых и фармацевтических продуктов. Поэтому приоритетным является создание отечественных устройств для безреагентного экспресс-анализа многокомпонентных водных сред. Среди известных сегодня типов сенсоров такими достоинствами, как экспрессность, невысокая стоимость и экологичность анализа, обладают потенциометрические, на основе которых создаются автоматизированные портативные измерительные устройства. Наиболее перспективным методом для анализа многокомпонентных сред являются потенциометрические мультисенсорные системы с перекрестно чувствительными сенсорами. Преимуществом мультисенсорных систем, помимо учета влияния мешающих ионов на отклик сенсора, является, прежде всего, тот факт, что все параметры сенсоров определяются непосредственно в реальных многокомпонентных растворах. Для направленного варьирования характеристик перекрестно чувствительных сенсоров необходимы разработка и использование новых сенсорных материалов. Такими материалами могут быть наноструктурированные композиционные материалы на основе ионообменных мембран. Создание массивов перекрестно чувствительных сенсоров для количественного анализа должно быть основано на изучении взаимосвязи между составом, структурой, свойствами мембран и характеристиками сенсоров. Поэтому проект направлен на разработку технологических решений по получению наноструктурированных гибридных мембран и созданию потенциометрических мультисенсорных систем на их основе для безреагентного экспресс-определения ключевых компонентов (ионы аминокислот, витаминов, лекарственных веществ, меркаптанов и неорганические ионы) в водных технологических средах (пищевые, фармацевтические и медицинские среды, хозяйственно-бытовые и промышленные стоки). 2. Формулировка цели реализуемого проекта. 1) Разработка и оптимизация подходов к синтезу гибридных мембран на основе ионообменных полимеров, содержащих наночастицы допантов с различными сорбционно-обменными свойствами. 2) Разработка потенциометрических перекрестно чувствительных сенсоров на основе наноструктурированных гибридных мембран для количественного определения органических и неорганических ионов в многокомпонентных водных средах. 3) Выявление взаимосвязи между составом, свойствами и наноструктурой гибридных мембран и характеристиками сенсора на их основе. 4) Разработка мультисенсорных систем для количественного определения ключевых компонентов водных технологических сред различного назначения. 5) Создание научно-технического задела для разработки аппаратно-программных комплексов для безреагентного экспресс-мониторинга водных технологических сред. 6) Разработка лабораторного технологического регламента получения наноструктурированных гибридных мембран с заданными свойствами. 7) Создание конструкторской документации (проектной конструкторской документации, технического предложения, эскизного проекта и технического проекта) для аппаратно-программных комплексов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).

1) Отчет о ПНИ, содержащий, в том числе:
а) обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
б) обоснование выбора направления исследований;
в) теоретическое исследование путей создания новых гибридных мембран, содержащих наночастицы допантов с различной природой поверхности;
г) теоретическое исследование путей создания новых потенциометрических перекрестно чувствительных сенсоров, предназначенных для количественного определения органических (аминокислоты, витамины, лекарственные вещества, меркаптаны) и неорганических ионов в водных технологических средах;
д) результаты расчетов математического и хемометрического моделирования многомерных откликов мультисенсорных систем в многокомпонентных водных средах, содержащих органические и неорганические электролиты;
е) результаты экспериментальных исследований;
ж) технико-экономическая оценка результатов ПНИ;
з) обобщение и выводы по результатам ПНИ;
и) рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ.
2) Отчет о патентных исследованиях.
3) Экспериментальные образцы мультисенсорных систем с потенциометрическими перекрестно чувствительными сенсорами на основе гибридных мембран, содержащих наночастицы допантов с различными сорбционно-обменными свойствами.
4) Методики синтеза гибридных мембран, содержащих наночастицы допантов с различными сорбционно-обменными свойствами.
5) Программа и методики исследовательских испытаний мультисенсорных систем.
6) Проект инструкции по применению мультисенсорных систем для экспресс-мониторинга водных технологических сред.
7) Лабораторный технологический регламент синтеза гибридных мембран с заданными свойствами.
8) Рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
9) Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Создание мультисенсорных систем с потенциометрическими перекрестно чувствительными сенсорами на основе гибридных мембран для безреагентного экспресс-мониторинга водных технологических сред».

2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), научной (научно-технической, инновационной) продукции.

1) В состав мультисенсорных систем, должны входить следующие составные части:
- потенциометрические перекрестно чувствительные сенсоры, аналитическим сигналом которых является потенциал Доннана, на основе гибридных мембран;
- ячейки для анализа и хранения потенциометрических перекрестно чувствительных сенсоров;
- компьютерное обеспечение, поддерживаемое операционной системой Windows XP или Windows 7;
2) Характеристики мультисенсорных систем и их составных элементов следующие:
- число компонентов, совместно определяемых в образце, должно быть не менее 3 (определяемыми компонентами являются ионы аминокислот, витаминов, лекарственных веществ, меркаптанов и неорганические ионы);
- средний ресурс сенсоров должен быть не менее 2 лет (по истечении установленного времени среднего ресурса требуется поверка потенциометрических перекрестно чувствительных сенсоров);
- средний ресурс гибридных мембран должен быть не менее 2 лет (компоненты водных технологических сред не должны отравлять гибридные мембраны, наноструктура гибридных мембран, концентрация и размеры наночастиц допантов не должны изменяться при длительном взаимодействии с компонентами технологических сред);
- размер частиц неорганических допантов в порах мембран должен быть не более 12 нм;
- число одновременно регистрируемых и анализируемых откликов от различных сенсоров должно быть более 3;
- время анализа должно быть не более 15 мин (время анализа включает время подготовки к измерению, время измерения и время компьютерной обработки данных);
- предел определения должен быть не более 1,0∙10-4 М;
- предел обнаружения должен быть не более 1,0∙10-5 М;
- дрейф аналитического сигнала должен быть не более 1,0 мВ/час (стабильность - аналитического сигнала во времени должна обеспечивать возможность длительного непрерывного анализа);
- относительная ошибка определения концентрации ионов должна быть не более 15%.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы.

Конечным продуктом, созданным с использованием результатов проекта, будут автоматизированные мультисенсорные системы на основе наноструктурированных гибридных мембран для безреагентного экспресс-определения ключевых компонентов (ионы аминокислот, витаминов, лекарственных веществ, меркаптанов и неорганические ионы) в водных технологических средах (пищевые, фармацевтические и медицинские среды, хозяйственно-бытовые и промышленные стоки). Понимание взаимосвязи между составом, структурой, свойствами мембран и характеристиками перекрестно чувствительных ПД-сенсоров, выявленной при выполнении проекта, позволит разработать мультисенсорные системы для решения ряда актуальных задач внелабораторного анализа сложных сред. Методические приемы исследования и сделанные на основе полученных результатов выводы могут быть расширены на другие классы объектов анализа, что делает найденные теоретические и практические закономерности функционирования мультисенсорных систем с ПД-сенсорами на основе наноструктурированных гибридных мембран универсальными. Сотрудничество исполнителя проекта с индустриальным партнером (ООО «Воронежсельмаш») снизит технологические и информационные риски внедрения результатов проекта.

2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.

В рамках проекта впервые будет осуществлено комплексное исследование причин изменения свойств гибридных материалов на основе перфторированных сульфокатионообменных мембран в зависимости от природы допанта, его концентрации и размера частиц, а также влияния допанта на наноструктуру мембраны. В литературе практически нет работ, в которых обсуждается взаимосвязь состав-структура-свойства гибридных мембран [1]. Подобные исследования позволят не только выяснить механизм ионного транспорта, но и направленно получать функциональные гибридные материалы с заданными свойствами которые могут быть использованы в потенциометрических перекрестно чувствительных сенсорах для мультисенсорного анализа многокомпонентных водных сред.
В рамках проекта будет использован оригинальный подход к организации потенциометрического сенсора, обеспечивающий нивелирование взаимовлияния процессов на межфазных границах мембрана/ анализируемый раствор и мембрана/ раствор сравнения сенсора [2]. Это позволит использовать в ПД-сенсорах пленки на основе перфторированных сульфокатионообменных мембран, градиентно модифицированных по длине образца наночастицами неорганических допантов. Применением подобных материалов для создания потенциометрических сенсоров не занимаются ни в России, ни за рубежом.
Будут разработаны новые автоматизированные мультисенсорные системы с потенциометрическими перекрестно чувствительными сенсорами на основе наноструктурированных гибридных мембран для безреагентного экспресс-определения ключевых компонентов (ионы аминокислот, витаминов, лекарственных веществ, меркаптанов и неорганические ионы) в водных технологических средах (пищевые, фармацевтические и медицинские среды, хозяйственно-бытовые и промышленные стоки).

3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

В последнее время в зарубежных и отечественных исследованиях большое внимание уделяется использованию мультисенсорных систем типа «электронный язык» в производственных процессах и при мониторинге технологических сред. Наибольшее количество работ посвящено разработке систем с классическими поливинилхлоридными и твердоконтактными электродами для качественного анализа пищевых и фармацевтических [3-5] продуктов и определения ионов тяжелых металлов в природных и технологических средах [6-8]. При разработке таких систем основное внимание уделяется математическому аппарату обработки многомерных данных и методологии проведения измерений [9]. Меньшее количество работ, в том числе работы авторов проекта, посвящено определению органических компонентов водных сред (совместное определение 2-4 ключевых компонентов) [10-16].
Работы в области синтеза и исследования гибридных мембранных материалов типа органика-неорганика бурно развиваются в последние годы [1, 17-20]. Значительный вклад в развитие этого направления вносят работы авторов проекта [17, 18, 21]. В последние годы все более актуальным становится введение в матрицу перфторированных мембран допантов в виде композитов или допантов с функционализированной поверхностью, в частности, гидрофильной, обладающей различными сорбционно-обменными свойствами (привитие сульфогрупп, амин-содержащих фрагментов) и гидрофобной поверхностью (например, содержащей углеводородные и перфторуглеродные фрагменты и др.) [21-25]. Развитие этих работ во многом связано с тем, что гибридные мембраны обладают улучшенными транспортными свойствами, высокой селективностью, термической и химической устойчивостью и механической прочностью. Количество работ по данному направлению ограничено, но с каждым годом все больше и больше возрастает.
Новым перспективным направлением применения гибридных материалов является разработка электрохимических сенсоров [26-28]. Однако, что упоминаний об использовании наномодифицированных гибридных материалов в потенциометрических мультисенсорных системах, помимо публикаций исполнителей работ по данному проекту [16, 29, 30], при анализе литературы не найдено.
Из приведенного краткого обзора можно заключить, что научные исследования по предлагаемой тематике находятся на начальной стадии, однако экспериментальный и теоретический уровень ожидаемых результатов сопоставим с мировым, а по ряду позиций будет опережать отечественные и зарубежные разработки в смежных областях.

4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.

Успешное выполнение работ по проекту обусловлено высокой квалификацией участников коллектива, в который входят ученые, работающие в области электрохимии, аналитической химии и материаловедения. У авторов имеется большой задел, полученный в ходе выполнения предшествующих НИР работ, как в области модификации мембран и изучения их структуры и свойств, так и в области разработки и создания потенциометрических мультисенсорных систем [1, 12, 15, 29]. Актуальность и обоснованность подобных исследований подтверждаются публикациями и наличием патентов у коллектива исполнителей на изобретения в данной области [31-36]. Кроме того, основные идеи, заложенные в настоящий проект, были обсуждены на отечественных и международных конференциях, связанных с тематикой проекта.
Научный задел в области синтеза и исследования гибридных мембранных материалов получен при выполнении исследований в рамках выполнения проектов, финансируемых РФФИ (РФФИ 10-08-00715-а, «Наноструктурированные гибридные мембранные материалы, модифицированные полианилином» 2010-2012; РФФИ 11-08-93105_НЦНИЛ_а «Ионный транспорт в гибридных мембранных материалах, содержащих оксиды кремния и циркония с симметричным и асимметричным распределением», 2011-2013; РФФИ 12-08-91161-ГФЕН_а «Синтез и проводимость гибридных мембранных материалов на основе полимеров и гетерополикислот», 2012-2013), Министерством образования и науки РФ (проекты ГК П872 «Создание новых нанокомпозиционных материалов на основе перфторированных ионообменных мембран», 2010-2012; ГК 02.740.11.0847 «Нанокомпозиционные материалы на основе ионообменных мембран и оксидов кремния, циркония и церия», 2010-2012; Соглашения 8024 «Композиционные функциональные наноматериалы c асимметрией ионного переноса, на основе гомогенных и гетерогенных ионообменных мембран», 2012-2013), а также в ходе участия в Международном проекте в рамках 7-ой рамочной программы Евросоюза (FP7 'Cooperation', NMP3-CA-2009-233253, «Bridge between environment and industry designed by membrane technology», 2009-2011)).
Научный задел в области аналитической химии получен при выполнении НИР по темам: «Создание химических сенсоров на основе наноструктурно модифицированных перфторсодержащих сульфокатионитовых полимеров для детектирования аминокислот, витаминов и лекарственных веществ» (грант РФФИ № 09-03-97505 р_центр_а), «Разработка мультисенсорных комплексов с новыми потенциометрическими сенсорами на основе наномодифицированных мембран для количественного анализа мультиионных водных сред» (грант РФФИ № 12-08-00743-а), «Разработка потенциометрических мультисенсорных комплексов с новыми перекрестно чувствительными сенсорами на основе перфторированных сульфокатионообменных мембран для анализа водно-органических пищевых сред» (грант РФФИ № 12-08-31471мол_а), «Разработка автоматизированных потенциометрических мультисенсорных комплексов с ПД-сенсорами на основе наноструктурированных мембран для мониторинга хозяйственно-бытовых и промышленных стоков» (грант РФФИ № 13-03-97502 р_центр_а), «Композитные перфторированные мембраны, содержащие наночастицы оксидов, для потенциометрических мультисенсорных систем» (грант РФФИ № 13-08-12103 офи_м ).
Исследования по проекту будут проводиться на основе уже имеющихся теоретических и экспериментальных исследований и направлены на решение следующих основных задач:
- разработка и оптимизация методик синтеза гибридных мембран на основе перфторированных сульфокатионообменных полимеров, содержащих наночастицы допантов с различными сорбционно-обменными свойствами, в том числе с модифицированной поверхностью, для их эффективного использования в мультисенсорных системах для анализа многокомпонентных водных сред;
- исследование влияния присутствия, концентрации (размера), природы наночастиц допантов на свойства (в том числе электродно активные) и структуру гибридных мембран;
- теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности использования наноструктурированных гибридных мембран в потенциометрических перекрестно чувствительных сенсорах, аналитическим сигналом которых является потенциал Доннана (ПД-сенсоров), для определения органических и неорганических ионов в водных средах;
- исследование потенциал определяющих реакций на межфазных границах наноструктурированных гибридных мембран с водными многокомпонентными средами, содержащими органические и неорганические электролиты;
- исследование метрологических характеристик ПД-сенсоров на основе наноструктурированных гибридных мембран в водных многокомпонентных средах;
- разработка математических алгоритмов анализа откликов мультисенсорных систем в водных многокомпонентных средах, в которых концентрации органических ионных форм и продуктов диссоциации воды являются взаимозависимыми;
- создание программ для ЭВМ для автоматизации хронопотенциометрических исследований стабильности откликов мультисенсорной системы, процессов на межфазных границах мембран сенсоров с растворами при установлении квазиравновесия, а также для автоматизации многомерной градуировки массивов сенсоров и количественного определения ионов в многокомпонентных растворах;
- разработка макетов и экспериментальных образцов автоматизированных мультисенсорных систем с ПД-сенсорами на основе наноструктурированных гибридных мембран для количественного определения ключевых компонентов водных технологических сред различного назначения;
- разработка лабораторного технологического регламента получения наноструктурированных гибридных мембран;
- создание конструкторской документации (проектной конструкторской документации, технического предложения, эскизного проекта и технического проекта) для аппаратно-программных комплексов для безреагентного экспресс-мониторинга водных технологических сред;
- разработка рекомендаций по использованию результатов НИР в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
Разработанные ранее подходы обеспечат мировой уровень ожидаемых экспериментальных и теоретических результатов и станут основой для разработки высокочувствительных наномодифицированных мембранных сенсоров и автоматизированных мультисенсорных систем для безреагентного экспрессного определения ключевых компонентов в водных технологических средах различного назначения (пищевые, фармацевтические, и медицинские среды, хозяйственно-бытовые и промышленные стоки).
Успешность достижения результата также связана с наличием индустриального партнера – ОАО «Воронежсельмаш» (г. Воронеж, http://www.vselmash.ru).

Список цитируемой литературы:
1. Ярославцев А.Б. Взаимосвязь свойств гибридных ионообменных мембран с размерами и природой частиц допанта [Текст] / А.Б. Ярославцев // Российские нанотехнологии. - 2012. - Т. 7, № 9-10. - С. 8-18.
2. Потенциометрический перекрестно-чувствительный к катионам и анионам ПД-сенсор на основе перфторированных сульфокатионообменных мембран [Текст]: пат. 134655 Рос. Федерация / Бобрешова О.В., Паршина А.В., Сафронова Е.Ю., Янкина К.Ю., Титова Т.С., Ярославцев А.Б.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. ун-т. - №2013112405; заявл. 19.03.2013, опубл. 20.11.2013, Бюл. №32.
3. Electronic noses and tongues in food safety assurance [Текст] / M.Y. Vagin, F. Winquist // High Throughput Screening for Food Safety Assessment Biosensor Technologies, Hyperspectral Imaging and Practical Applications. – 2015. – P. 265–283.
4. Taste sensing systems (electronic tongues) for pharmaceutical applications [Текст] / Katharina Woertz, Corinna Tissen, Peter Kleinebudde, Jörg Breitkreutz // International Journal of Pharmaceutics. – 2011. – V.417, № 1–2. – P. 256–271.
5. Assessment of bitter taste of pharmaceuticals with multisensor system employing 3 way PLS regression [Текст] / Alisa Rudnitskaya, Dmitry Kirsanov, Yulia Blinova [et al.] //Analytica Chimica Acta. – 2013. – V.770. – P. 45–52.
6. Simultaneous and automated monitoring of the multimetal biosorption processes by potentiometric sensor array and artificial neural network [Текст] / D. Wilson, M. del Valle, S. Alegret [et al.] // Talanta. – 2013. – Vol. 114. – P. 17-24.
7. Novel structured light-addressable potentiometric sensor array based on PVC membrane for determination of heavy metals [Текст] / D. Ha, N. Hu, C.X. Wu [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2012. – Vol. 174. – P. 59-64.
8. Алхасов С.С. Определение концентраций ионов тяжелых металлов посредством блока обработки данных мультисенсорной системы для мониторинга водных сред [Текст] / С.С. Алхасов, Л.П. Милешко, А.А. Целых // Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2013. –T. 141, № 4. – С.161–168.
9. Bratov A. Recent trends in potentiometric sensor arrays - A review [Текст] / A. Bratov, N. Abramova, A. Ipatov // Analytica Chimica Acta. – 2010. – V.678, № 2. – P.149-159.
10. Массивы потенциометрических сенсоров для раздельного определения антибиотиков пенициллинового ряда с использованием метода искусственных нейронных сетей [Текст] / Кулапина Е.Г., Снесарев С.В., Макарова Н.М., Погорелова Е.С. // Журнал аналитической химии. – 2011. – Т. 66, № 1. – С. 82-87.
11. A combination of dynamic measurement protocol and advanced data treatment to resolve the mixtures of chemically similar analytes with potentiometric multisensor system [Text] / D. Kirsanov, X. Cetó, M. Khaydukova [et al.] // Talanta. – 2014. – V. 119. – P. 226–231.
12. Определение аминокислот, витаминов и лекарственных веществ в водных растворах с использованием новых потенциометрических сенсоров, аналитическим сигналом которых является потенциал Доннана [Текст] / О.В. Бобрешова, А.В. Паршина, М.В. Агупова, К.А. Полуместная // Электрохимия. – 2010. – Т. 46, № 11. – C. 1338-1349.
13. Бобрешова О.В. Потенциометрическая мультисенсорная система для определения лизина в водных растворах с хлоридами калия и натрия [Текст] / О.В. Бобрешова, А.В. Паршина, Е.А. Рыжкова // Журнал аналитической химии. – 2010. – Т. 65, № 8. – С. 885-891.
14. Бобрешова О.В. Потенциометрические перекрестно чувствительные ПД-сенсоры для совместного определения никотиновой кислоты и пиридоксина гидрохлорида в водных растворах [Текст] / О.В. Бобрешова, А.В. Паршина, Ю.В. Пожидаева // Журнал аналитической химии. – 2013. – Т. 68, № 4. – С. 348-354.
15. Потенциометрическиe мультисенсорные системы для определения новокаина и лидокаина в водных растворах, содержащих хлориды калия и натрия [Текст] / О.В. Бобрешова, К.А. Полуместная, К.Ю. Янкина [и др.] // Журнал аналитической химии. – 2012. – Т. 67, № 12. – С. 1072-1078.
16. Совместное потенциометрическое определение катионов и анионов в мультиионных растворах с использованием ПД-сенсоров на основе мембран МФ-4СК и Nafion, наномодифицированных оксидами циркония и кремния [Текст] / О.В. Бобрешова, А.В. Паршина, К.Ю. Янкина [и др.] // Российские нанотехнологии. – 2014. – Т.9, №.9-10. – С. 5-10.
17. Ярославцев А.Б. Ионообменные мембранные материалы: свойства, модификация и практическое применение [Текст] / А.Б. Ярославцев, В.В. Никоненко // Рос. Нанотехнологиии. – 2009. – Т.4, № 3. – С. 33-53.
18. Наноструктурированные материалы для низкотемпературных топливных элементов [Текст] / А.Б. Ярославцев, Ю.А. Добровольский, Н.С. Шаглаева [и др.] // Успехи химии. – 2012. – Т. 81. – С. 191-220.
19. Иванчев С.С. Полимерные мембраны для топливных элементов: получение, структура, модифицирование, свойства [Текст] / Иванчев С.С. Мякин С.В. // Успехи химии. – 2010. – Т. 79, № 2. – С. 117-134.
20. Jones D.J., Roziere J. // in Handbook of Fuel Cells – Fundamentals, Technology and Applications. Edited by Wolf Vielstich, Hubert A. Gasteiger, Arnold Lamm. Volume 3: Fuel Cell Technology and Applications. 2003 John Wiley & Sons, Ltd. P. 447-455
21. Ярославцев А.Б. Ионный перенос в мембранных и ионообменных материалах [Текст] / А.Б. Ярославцев, В.В. Никоненко, В.И. Заболоцкий // Успехи химии. – 2003. – Т.72. – С. 438-470.
22. Herring A-M. Proton Exchange Membranes for Fuel Cell Applications [Текст] / A-M. Herring // Polymer Reviews. – 2006. – V. 46, № 3 – P. 245-296.
23. Nafion® and nano-size TIO2-SO42- solid superacid composite membrane for direct methanol fuel cell [Текст] / Wu Z., Sun G., Jin W. [et al.] // J. Membr. Sci. – 2008. – V. 313, № 1-2. – P. 336-343.
24. Navarra M.A. Properties and fuel cell performance of a Nafion-based, sulfated zirconia-added, composite membrane [Текст] / M.A. Navarra, C. Abbati, B. Scrosati // J. Power Sources. – 2008. – V. 183, № 1. – P. 109-113.
25. Surface-modified Nafion membranes with mesoporous SiO2 layers via a facile dip-coating approach for direct methanol fuel cells [Текст] / Y. Lin, H. Li, Ch. Liu [et al.] // J. Power Sources. – 2008. – V. 185, №185. – P. 904-908.
26. García M. Metallic and polymeric nanowires for electrochemical sensing and biosensing [Текст] / M. García, P. Batalla, A. Escarpa // TrAC Trends in Analytical Chemistry. – 2014. – V. 57. – P. 6–22.
27. Yin Tanji. Applications of nanomaterials in potentiometric sensors [Текст] / Tanji Yin, Wei Qin // TrAC Trends in Analytical Chemistry. – 2013. – V. 51. – P. 79–86.
28. Comini E. Metal oxide nanoscience and nanotechnology for chemical sensors [Текст] / E. Comini, C. Baratto, I. Concina [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2013. – V. 179. – P. 3–20.
29. Гибридные перфторированные сульфосодержащие мембраны с наночастицами оксида циркония (IV) – электродоактивный материал для потенциометрических сенсоров [Текст] / О.В. Бобрешова, А.В. Паршина, К.Ю. Янкина [и др.] // Российские нанотехнологии. – 2013. – Т. 8, № 11–12. – С. 24-30.
30. Perfluorinated sulfocation-exchange membranes modified with zirconia for sensors sensible for organic anions in multiionic aqueous solutions [Текст] / O.V. Bobreshova, A.V. Parshina, K.A. Polumestnaya [et al.] // Mendeleev Communications. – 2012. – Vol. 22, № 2. – P 83-84.
31. Гибридная ионообменная мембрана [Текст]: пат. 2352384 С1 РФ / Воропаева (Сафронова) Е.Ю., Ильина А.А., Шалимов А.С., Пинус И.Ю., Стенина И.А., Ярославцев А.Б.; Опубликовано: 20.04.2009. Бюл. № 11.
32. Потенциометрический сенсор для определения лизина в водном растворе [Текст]: пат. 2376591 РФ / Бобрешова О.В., Паршина А.В., Агупова М.В., Тимофеев С.В.; заявитель и патентообладатель Ворон. гос. ун-т. - № 2008130748/28; заявл. 24.07.08, опубл. 20.12.09; Бюл. №35.
33. Потенциометрический измерительный комплекс для определения органических электролитов в водных растворах, содержащих хлориды калия и натрия [Текст]: пат. 87260 РФ / Бобрешова О.В., Паршина А.В., Тимофеев С.В., Полуместная К.А.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. ун-т. - № 2009115481; заявл. 23.04.09, опубл. 27.09.09; Бюл. № 27.
34. Потенциометрический мультисенсорный измерительный комплекс для анализа лечебно-профилактических пищевых солевых смесей [Текст]: пат. 107590 РФ / Бобрешова О.В., Паршина А.В., Рыжкова Е.А., Тимофеев С.В.; заявитель и патентообладатель Ворон. гос. ун-т. - № 2011106419; заявл. 21.02.11, опубл. 20.08.11; Бюл. №23.
35. Потенциометрический мультисенсорный измерительный комплекс для совместного определения органических электролитов в водных растворах [Текст]: пат. 109862 РФ / Бобрешова О.В., Паршина А.В., Пожидаева Ю.В., Тимофеев С.В.; заявитель и патентообладатель Ворон. гос. ун-т. - № 2011107416; заявл. 25.02.11, опубл. 27.10.11; Бюл. №30.
36. Способ определения новокаина, лидокаина в моче [Текст]: пат. 2463600 РФ / Бобрешова О.В., Полуместная К.А., Паршина А.В., Тимофеев С.В., Янкина К.Ю., Попова Т.Н., Семинихина А.В., Попов В.И. // Заявитель и патентообладатель Ворон. гос. ун-т. – № 2011117739/15; заявл. 03.05.2011, опубл. 10.10.2012; бюл. № 28.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция).

Результаты исследований по предлагаемому лоту будут вносить фундаментальный вклад в развитие отечественной электроаналитической и неорганической химии.
Результаты ПНИ могут быть использованы для проведения прикладных НИР и ОКР, направленных на создание аппаратно-програмных комплексов с потенциометрическими сенсорами на основе наноструктурированных гибридных мембран для безреагентного экспресс-мониторинга водных технологических сред.
Назначением аппаратно-програмных комплексов с потенциометрическими сенсорами на основе наноструктурированных гибридных мембран будет мониторинг хозяйственно-бытовых и промышленных стоков (в том числе содержащих продукты переработки нефтехимической промышленности) и контроль за утилизацией лекарственных веществ и химических аналогов наркотических веществ, а также контроль качества пищевых и фармацевтических продуктов.
Продукты, созданные с использованием результатов проекта, обеспечат коммунальные хозяйства, экологические службы, государственные и частные медицинские учреждения, пищевые и фармацевтические производства простыми, автоматизированными, стабильными, чувствительными, экспрессными методами in situ анализа.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.

Конкурентные преимущества результатов работы будут обеспечены за счет экспрессности, невысокой стоимости и экологичности анализа, а также возможности создания автоматизированных портативных измерительных устройств для работы в непрерывных технологических процессах. Сотрудничество исполнителя проекта с индустриальным партнером обеспечит краткосрочное внедрение результатов ПНИ: по окончании проекта будет заключено соглашение о производстве пилотной партии мультисенсорных систем.

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.

Результаты ПНИ будут вносить вклад в развитие индустрии наносистем в области нанотехнологий для разработки новых функциональных материалов для мультисенсорного анализа.
Ожидаемый социально-экономический эффект от реализации планируемых результатов будет выражаться в повышении качества мониторинга технологических сред (хозяйственно-бытовых и промышленных стоков, медицинских, фармацевтических и пищевых сред) путем внедрения созданных аппаратно-програмных комплексов на российские производства и в органы контроля, а следовательно, в улучшении экологии и повышении безопасности жизни.
Народно-хозяйственный эффект от внедрения продуктов, созданных с использованием результатов проекта, будет состоять в повышении эффективности использования производственных фондов и капитальных вложений в отечественное производство, а следовательно, в повышении показателей уровня жизни населения.

4. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.

Влияние планируемых результатов на развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры будет обеспечиваться участием исполнителя в Программе развития проектов ФЦП ИР и сотрудничеством с индустриальным партнером. Это должно повысить информированность рынка наукоемких и высокотехнологичных разработок о продуктах, создаваемых с использованием результатов проекта.

Текущие результаты проекта:
Синтезированы гибридные мембраны на основе перфторированных сульфокатионитовых полимеров: Nafion 117 (Du Pont, США) и МФ-4СК (ОАО «Пластполимер», Россия). В качестве допантов были использованы гидратированный оксид циркония и гидратированный оксид кремния с модифицированной поверхностью, содержащей протоноакцепторные или гидрофобные группы. Разработана методика in situ введения наночастиц оксидов с модифицированной поверхностью в поры перфторированных сульфокатионитовых мембран. Оптимизирована методика синтеза гибридных мембран с неоднородным распределением по длине образца наночастиц допантов с модифицированной поверхностью. Показана эффективность модификации мембран и функционализации поверхности наночастиц. Определено влияние методики модификации мембран, количества допанта и функционализации их поверхности на размер частиц, получаемых внутри матрицы мембраны. Показано, что модификация мембран методом in situ позволяет получать частицы минимального размера – 3-5 нм. Разработан лабораторный технологический регламент получения гибридных мембран для ПД-сенсоров. Изучена микроструктура гибридных материалов на основе мембран МФ-4СК с различным содержанием оксида кремния методом малоуглового рентгеновского рассеяния с использованием источника синхротронного излучения на уникальных научных установках «Курчатовский источник синхротронного излучения» (КИСИ) и Изохронный циклотрон НИЦ «Курчатовский институт» (Циклотрон У-150). Изучена структура гибридных материалов на основе мембраны Nafion, содержащей наночастицы гидратированного оксида циркония, с помощью сканирующего электронного микроскопа Carl Ceiss NVision 40, совмещенного с аналитической станцией для рентгеноспектрального микроанализа, ЦКП ИОНХ РАН.
На основе исследования потенциал определяющих реакций на межфазных границах перфторированных сульфокатионообменных мембран и гибридных материалов на их основе с растворами аминокислот, витаминов и лекарственных веществ при различных рН, выявлено, что помимо реакций ионного обмена и протолиза на отклик ПД-сенсора существенное влияние оказывают образование водородных связей функциональных групп органических ионов с фиксированными группами мембраны и поверхностными группами допанта.
Представлены результаты исследования влияния протоноакцепторных/протонодонорных свойств и размера допантов, вводимых в матрицу перфторированных сульфосодержащих мембран, на чувствительность ПД-сенсоров к органическим и неорганическим ионам, совместно присутствующим в растворах. Определено влияние степени гидрофобности и размера допантов на чувствительность ПД-сенсоров к органическим ионам, отличающимся гидрофильностью/гидрофобностью радикала. Варьирование природы, размера допанта, а также природы и размера привитых к нему модифицирующих групп позволило значительно снизить влияние ионов H3O+, мешающих определению органических катионов, на отклик ПД-сенсоров, увеличить их чувствительность к органическим катионам при рН<7 и выявить чувствительность к анионам при рН>7. Разработаны мультисенсорные системы с гибридными мембранами для определения аминокислот, витаминов, лекарственных веществ, меркаптанов и неорганических ионов в водных растворах различного состава. Разработаны методики поверки потенциометрических перекрестно чувствительных сенсоров и выполнения измерений для выявления/определения чувствительности, стабильности, воспроизводимости и точности мультисенсорных систем в водных средах, содержащих органические и неорганические электролиты.
По промежуточным результатам работ опубликованы три научные статьи: в «Журнале аналитической химии» издательства МАИК “Наука/Интерпериодика”, индексируемом в базе данных Scopus (англоязычный вариант статьи опубликован в журнале «Journal of Analytical Chemistry» издательства Springer, индексируемом в базах данных Web of Science и Scopus); в журнале «Mendeleev Communications» издательствa Elsevier, индексируемом в базе данных Scopus; в журнале «Российские нанотехнологии» издательства Федерального агентства по науке и инновациям РФ, индексируемом в базе данных Scopus (англоязычный вариант статьи опубликован в журнале «Nanotechnologies in Russia» издательства Pleiades Publishing, индексируемом в базе данных Scopus).
По промежуточным результатам работ поданы заявки на патент РФ на изобретение (заявка № 2015143473 от 12.10.2015) и государственную регистрацию программы для ЭВМ (заявление от 30.10.2015).
Промежуточные результаты исследований представлены на международной конференции «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах» (Россия, Краснодар-Сочи, 25-30 мая 2015 г.) и VII Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» ФАГРАН-2015 (Воронеж, 10-13 ноября 2015 г.).
За счет внебюджетных средств, предоставленных ФГБОУ ВПО «ВГУ», выполнены исследования состава исследуемых материалов и сред на оборудовании ЦКПНО «ВГУ». На волновом рентгенофлуоресцентном спектрометре S8 Tiger (Bruker AXS, Германия, 2012) исследован элементный состав перфторированных сульфокатионнообменных мембран, в том числе содержащих наночастицы гидратированного SiO2 с поверхностью, модифицированной протоноакцепторными и гидрофобными группами. Образцы мембран, полученные различными способами, исследованы с помощью просвечивающего электронного микроскопа Libra 120 (Carl Zeiss, Германия, 2012).
За счет средств, предоставленных Индустриальным партнером (ООО «Воронежсельмаш»), выполнены маркетинговые исследования, подтверждающие перспективы коммерциализации разрабатываемых потенциометрических мультисенсорных систем с гибридными мембранами для анализа жидких сред. В рамках маркетинговых исследований выполнены исследования мультисенсорных систем для анализа пищевых сред. Разработана эскизная конструкторская документация для потенциометрических перекрестно чувствительных сенсоров, выполнена их апробация для исследований полиионных растворов.
Задачи, поставленные на 2 и 3 этапах (2015 год), решены в полном объеме. Работы, выполненные в 2015 году в рамках этапов 2 и 3, соответствуют плану-графику исполнения обязательств по Соглашению.
Сведения о ходе выполнения проекта размещены на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУ»: http://www.science.vsu.ru/projects.