Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0072

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0072
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"
Название доклада
Разработка комплексного метода детекции и экспресс диагностики сверхмалых количеств лекарственных и взрывчатых веществ.
Докладчик
Родыгин Александр Игоревич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данной работы является разработка и тестирование уникального экспресс метода и создание экспериментальной установки, позволяющей проводить детекцию и диагностику сверхмалых количеств лекарственных препаратов и взрывчатых веществ. Данный экспресс метод должен отвечать ряду необходимых требований, которые, с одной стороны, обеспечат быстрый анализ фармацевтических препаратов и взрывчатых веществ (время эксперимента- менее 100 миллисекунд), а, с другой стороны, дадут наиболее полную информацию о структуре и теплофизических свойствах исследуемого материала. Помимо чрезвычайно высокой скорости эксперимента, данный метод должен иметь еще одно ключевое преимущество, а именно обладать сверхвысокой чувствительностью к образцу, т.е. должен позволять работать со сверхмалыми количествами веществ (от 1 нанограмма). Сочетание подобных характеристик, т.е. высокое быстродействие и высокая чувстввительность, важно для практических применений в областях, связанных с разработкой лекарственных препаратов и с детекцией взрывчатых веществ, в которых это является критичным для используемых технологий. Действительно, в этих областях масса образца лимитирована либо высокой стоимостью синтеза новых препаратов (фармацевтика), либо определяется условиями получения образца (экстракция следовых количеств взрывчатых веществ в виде микрочастиц в реальных условиях детекции). С другой стороны, требования по быстродействию метода определяются необходимостью проводить быстрый скрининг большого количества разных синтезируемых образцов (фармацевтика) или вовремя выдавать тревожный сигнал при подозрении на присутствие взрывчатых веществ в общественных местах (детекция).
Актуальность и новизна исследования
В данном проекте разрабатывается и совершенствуется новый аналитический экспресс-метод, позволяющих проводить физико-химическую характеризацию различных органических и неорганических соединений. При разработке фармацевтических препаратов лимитирующими факторами при проведении теплофизических исследований может быть как масса образца, так и время экспресс-анализа. Современные дифференциальные сканирующие калориметры обладают чувствительностью, позволяющей в некоторых случаях работать с образцами массой 2-3 мг. Однако, с учетом того, что обычно используется несколько экспресс-методов, стоимость синтеза даже такого количества нового материала может быть запредельно высокой, что становится серьезной проблемой для применимости калориметрии как таковой для экспресс анализов. Возможность работы со сверхмалыми количествами веществ требуется также при исследовании термического поведения высокоэнергетических материалов как с точки зрения безопасности и рисков, связанных с процессами детонации, так и в связи с необходимостью их детекции в общественных местах. При работе со взрывчатыми веществами, их детекция, особенно в малых количествах, рассматривается как один из наиболее важных нерешенных технологических задач XXI века. Ранняя, предварительная быстрая диагностика некоторых целей может дать сигнал службам безопасности для принятия необходимых мер для обеспечения жизни каждого. Кроме того, надлежащая система обнаружения взрывчатых веществ может быть использована и в других важных сферах, таких, как судебно-медицинская экспертиза, глобальные горнорудные проекты и охрана окружающей среды.
Описание исследования

Впервые нанокалориметрия, или калориметрия на чипе, то есть калориметрия, предназначенная для работы с образцами массой в несколько нанограмм, была предложена Алленом и коллегами в 1993. Развитие данного метода стало возможным благодаря разработке новых MEMS датчиков компании Xensor (Нидерланды). Предложенные серии нанокалориметрических датчиков имеют чувствительность в 1 нДж/К при высоком временном разрешении в 5 мс. Активная область нанокалориметрического датчика изготовлена на основе тонкой мембраны нитрида кремния (толщина от 50 нм), материала с относительно низкой теплопроводностью. Размер активной области зависит от датчика и лежит в пределах от 60х60 нм2 до 250х250 нм2. Нагрев образца реализуется путем подачи напряжения на нагревательные элементы, нанесенные на поверхность мембраны. Температура образца может быть измерена при помощи шести термопар, расположенных по периметру активной области датчика и соединенных последовательно. Поскольку используемые скорости охлаждения и нагревания на несколько порядков превышают скорости традиционных методов ДСК (достигаемая скорость нагрева образца при помощи нанокалориметрического датчика составляет 100000-1000000 К/сек), с помощью этого метода могут быть исследованы образцы гораздо меньшей массы, вплоть до нескольких нано- и сотен пикограмм. Хотя появление метода нанокалориметрии значительно расширило область применения термического анализа в науке и технике, сочетание нанокалориметрии с другими методами физико-химического анализа до сих пор остается главной целью научного сообщества, работающего в данной области.

При разработке фармацевтических препаратов аспекты, затрагивающие структурные и теплофизические свойства новых материалов, а также понимание того, как эти свойства изменяются при взаимодействии с окружающей средой и с другими веществами, являются центральными. Свойства, которые должны быть охарактеризованы включают структуру, существование полиморфных модификаций, кристалличность, а также химическую и термодинамическую стабильность. Поэтому, разрабатываемый экспресс-метод может быть использован для идентификации теплофизических параметров, таких как характерные температуры и энтальпии фазовых переходов, а также структуры и различных полиморфных модификаций сверхмалых количеств материала. Результаты подобных испытаний применимы ко всем фармацевтическим препаратам и чрезвычайно полезны для оптимизации структуры препарата в ходе его разработки. Например, эксперименты по быстрым нагревам карбамазепина показали, что при увеличении скорости нагрева до 500 К/сек не наблюдается перекристаллизации карбамазепина в первую кристаллическую модификацию, с сохранением второй и третьей модификаций. Данные результаты свидетельствуют о существующей возможности получения новых кристаллических форм данного лекарственного препарата при работе на высоких скоростях нагрева/охлаждения. Путем дальнейшего увеличения скоростей нагрева до сверхвысоких (т.е., 100000-1000000 К/сек), а также дополнением экспериментов данными по рентгеновской дифракции можно добиться новых значительных результатов в данном направлении.

Хотя отмечается большой прогресс в обнаружении в режиме реального времени взрывчатых веществ, достигнутый за последние 10 лет, этого по-прежнему мало для создания эффективных методов их обнаружения. Очевидно, что система детекции должна быть также совместима с твердотельным состоянием взрывчатых веществ для того, чтобы метод был практически применим. Эффективная система по детекции взрывчатых веществ должна отвечать ряду требований, а именно:
-обладать высокой чувствительностью,
-иметь возможность работы с нелетучими и термически нестабильными образцами,
-обладать высокой специфичностью и селективностью,
-обладать коротким временем отклика,
-используемые датчики должны быть просты в эксплуатации и иметь низкую стоимость и др.
Разрабатываемый в данном проекте экспресс-метод исследования будет отвечать всем вышеперечисленным методам и после ряда оптимизаций может быть применен для детекции и экспресс анализа микрочастиц таких взрывчатых веществ, как октоген (HMX), гексоген (RDX), гексанитрогексаазаизовюрцитан (CL-20), пентрит (PETN) и тринитротолуол (TNT). В проекте будет составлена библиотека идентификационных теплофизических характеристик этих взрывчатых веществ, что послужит в дальнейшем базой для их обнаружения и идентификации.

Результаты исследования

К настоящему моменту проект находится на стадии исполнения первого этапа. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. В ходе обзора литературы и патентных исследований выявлена патентоспособность разрабатываемого комплекса оборудования экспериментальной установки для диагностики и экспресс анализа (менее 100 мс) фармацевтических и взрывчатых веществ в сверхмалых количествах (от 1нг).  Проведена ср внительная оценка эффективности перспективных направлений исследований. Разработаны технические и функциональные требования к разрабатываемому комплексу оборудования "Настольная установка детекции веществ в следовых количествах". Разработан метод подготовки образцов  взрывчатых материалов для их детекции.

По первым результатам исследований и литературным данным активно формируется база данных структур и теплофизических свойств опытных образцов взрывчатых веществ, которая будет впоследствие уточнена и оптимизирована с учетом разрабатываемых на более поздних стадиях проекта методик исследования и диагностики лекарственных и взрывчатых веществ. Сделаны первые шаги на пути к созданию комплекса оборудования "Настольная установка детекции веществ в следовых количествах".

Проведена оптимизация метода нанокалориметрии для применения в данной области а также разработана и оптимизирована схема интегрирования с оптической микроскопией и методами рентгеновской дифракции (в частности с установками линии нанофокусной рентгеновской дифракции на базе УСУ –уникального комплекса для рентгеноструктурного анализа “Xenocs WAXS/SAXS X-ray System”, задействованной в проекте, а также линии по нанофокусной синхротронной рентгеновской дифракции в Европейском центре синхротронных исследований (ESRF, Гренобль, Франция)). Непосредственное интегрирование прибора в даннные методы рентгеноструктурных исследований возможно провести только после разработки точных методик исследования лекарственных и взрывчатых веществ, так как в ходе разработки могут появиться дополнительные сложности по совмещению, например в связи с конструкцией термостата для экспресс анализа в области низких температур на более поздних стадиях проекта

Иностранный партнер предоставил первые результаты структурных характеристик взрывчатых веществ изучаемых в проекте  в кристаллической и жидко-кристаллических формах. Также им обеспечено определение исходного фазового состава изучаемых соединений методом рентгеностуктурного анализа. До конца этапа на основе рентгеноструктурных данных, получаемых в ходе исследований будут определены размеры кристаллов и параметры паракристалличности изучаемых соединений. Также иностранным партнером рассматривется возможность дополнительного исследования альтернативными методами с целью уточнения данных параметров.

Практическая значимость исследования
На данном этапе работ внедрение отсутствует. Основными перспективами использования результатов проекта является создание запатентованного комплекса оборудования "Настольная установка детекции веществ в следовых количествах", всех необходимых методик и методологической документации, необходимой для работы с данным комплексом. Также комплекта инженерной документации, необходимой, для внедрения данного комплекса в промышленное производство. Организация на базе данного комплекса лабораторий по экспресс-анализу фармацевтических препаратов: контроль качества производства, контроль состояния, условий хранения и транспортировки. Организация на базе данного комплекса лабораторий по экспресс-анализу взрывчатых веществ в следовых количествах, с использованием более безопасных быстрых и точных методик, разработанных в ходе реализации проекта. Расширение возможностей экспресс-анализа теплофизических и структурных свойств - еще один шаг к созданию систем мониторинга пассажиро- и грузопотока с целью предотвращения террористической угрозы и контроля оборота опасных взрывчатых веществ. Также это шаг к созданию систем, позволяющих фармакологическим фирмам вывести процесс разработки новых лекарств на новый уровень путем внедрения новых методик оптимизации готового состава продукта при помощи слабой вариации концентраций различных компонентов лекарственного препарата для достижения наилучшей комбинации итоговых свойств. В настоящее время данные методы слишком затратны по причине большой цены синтеза минимальной экспериментальной партии лекарственных препаратов для проведения структурных и теплофизических исследований, однако с разработкой новой методики экспресс анализа очень сильно уменьшается масса исследуемого препарата (в 100000 раз), что приводит и к уменьшению стоимости таких оптимизационных исследований. Также важным результатом будет внедрение и использование обновленной базы данных структур и теплофизических свойств взрывчатых веществ показатели которой будут актуализированы при помощи современных методик исследования.
Постер

14_616_21_0072.ppt