Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0005

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0005
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет"
Название доклада
Разработка технологических решений по получению наноструктурированных гибридных мембран и созданию потенциометрических мультисеносорных систем на их основе для безреагентного экспресс-мониторинга водных технологических сред
Докладчик
Бобрешова Ольга Владимировна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
Решение ряда социально значимых задач – анализ качества продуктов, определение ключевых компонентов (аминокислот и витаминов в продуктах детского и спортивного питания) в пищевых и фармацевтических продуктах, а также токсичных компонентов (местные анестетики, меркаптаны) в хозяйственно-бытовых и промышленных стоках – требует разработки экспрессных, простых в управлении, недорогих, но при этом надежных методов анализа. Такие методы являются альтернативой современным дорогостоящим методам высокоточного анализа для использования в непрерывных технологических процессах и условиях внелабораторного анализа. Отставание РФ от высокоразвитых стран в этой области сохраняется, поэтому приоритетным является создание отечественных устройств для безреагентного экспресс-анализа подобных сред, доступных для отечественных производств и контролирующих организаций, в том числе, местного уровня.
Результаты ПНИ будут вносить вклад в развитие индустрии наносистем в области нанотехнологий для разработки новых функциональных материалов для мультисенсорного анализа. Новизна ПНИ связана с развитием мультисенсорного подхода для анализа водно-органических сред, как междисциплинарной области науки, в которой особое внимание уделяется разработке новых гибридных ионообменных материалов, изучению механизмов их взаимодействия с определяемыми веществами в многокомпонентных средах и выявлению корреляции между их свойствами, структурой и характеристиками сенсоров на их основе. В литературе практически нет работ, обсуждающих взаимосвязь состав-структура-свойства гибридных мембран, а применением градиентно модифицированных по длине образца сенсорных материалов не занимаются ни в России, ни за рубежом.
Описание исследования

Экспериментальные исследования проведены с учетом основных приемов современной методологии исследования в области неорганического материаловедения, нанотехнологий, мембранной науки и аналитической химии.

Модификацию мембран осуществляли различными способами: введением наночастиц в матрицу готовой мембраны, и отливкой мембраны из раствора полимера в присутствии прекурсоров для дальнейшего получения наночастиц допанта. Преимуществом первого метода является возможность получения материалов с малым размером частиц (от 3 до 7 нм), а второй позволяет получить материалы с заданным количеством допантов. Предложена методика получения гибридных мембран для ПД-сенсоров методом отливки с неоднородным распределением допанта (в том числе с функционализированной поверхностью) по длине образца. Изменение свойств поверхности допанта путем привития функциональных групп (гидрофильных, гидрофобных, протондонорных и протоноакцепторных) и его количества в матрице мембраны позволяет варьировать объем свободного раствора в порах и условия сорбции катионов и анионов в зависимости от природы контактирующего с мембраной раствора. Для оценки свойств мембран использовались традиционные в этой области методы исследования (термический анализ, потенциометрическое титрование, потенциометрия и кондуктометрия, импедансная спектроскопия). Для проведения измерений диффузионной проницаемости и коэффициентов взаимной диффузии использовались методики, разработанные коллективом ранее.

При разработке мультисенсорных систем были использованы оригинальные запатентованные исполнителями проекта методы, устройства и программы для ЭВМ (Пат. 2364859 РФ, Пат. 2376591 РФ,  Пат. 87260 РФ, Пат. 107590 РФ, Пат. 109862 РФ, Пат. 2463600 РФ, Пат. 134655 РФ, Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2013660973, Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2015663606). Для организации потенциометрических сенсоров использован ранее разработанный исполнителями подход, позволяющий снизить взаимовлияние процессов на границах мембраны сенсора с раствором сравнения и исследуемым раствором и увеличить, таким образом, стабильность и чувствительность его отклика в полиионных растворах. Такая организация ПД-сенсора позволяет использовать в них материалы, состав которых на границах с исследуемым раствором и раствором сравнения различается, в частности, гибридные мембраны с градиентным распределением наночастиц допанта по длине. При выборе составов мембран для сенсоров особое внимание уделяется изучению механизмов их взаимодействия с определяемыми веществами в многокомпонентных средах и выявлению корреляции между их свойствами, структурой и характеристиками сенсоров на их основе. Для многомерной градуировки мультисенсорных систем, оценки их аналитических характеристик и количественного определения компонентов водных технологических сред разработаны математические алгоритмы, применимые к неортогональным схемам эксперимента.

Для выполнения ПНИ использовано оборудование ЦКП ИОНХ РАН и ЦКПНО ВГУ, а также Уникальная Научная Установка АПК «Нанохим» Уникальная Научная Установка Курчатовский источник синхротронного излучения» (КИСИ), Изохронный циклотрон НИЦ «Курчатовский институт» (Циклотрон У-150) и Уникальная Научная Установка "Исследовательский реактор бассейнового типа ИР-8 РНЦ “Курчатовский Институт»”. 

 

Результаты исследования

Анализ работ в области потенциометрических мультисенсорных систем показывает, что основное внимание уделяется методологии измерений и обработки многомерных данных. Подавляющее число работ посвящено разработке систем с классическими поливинилхлоридными и твердоконтактными электродами для оценки интегральных характеристик сложных сред (фармацевтических и пищевых продуктов, сточных вод), а не на увеличение точности определения их компонентов, когда ионоселективные сенсоры теряют свою селективность. Проблемой таких систем является использование небольшого числа мембранных материалов, что ограничивает расширение круга определяемых веществ. Меньшее количество работ, в том числе работы исполнителей проекта, посвящено определению ключевых компонентов водно-органических сред.

Работы в области синтеза и исследования гибридных мембранных материалов типа органика-неорганика бурно развиваются в последние годы. Значительный вклад в это направление вносят работы исполнителей проекта. Все более актуально введение в матрицу перфторированных мембран наночастиц в виде композитов или функционализированных допантов с различными сорбционно-обменными свойствами. Развитие этих работ связано с улучшенными транспортными свойствами, высокой селективностью, термической и химической устойчивостью и механической прочностью гибридных мембран. Количество работ по данному направлению с каждым годом возрастает.

Анализ работ в области селективных химических сенсоров свидетельствует об актуальности использования мембранных наноматериалов для варьирования их характеристик и решения новых аналитических задач. Однако, упоминаний об использовании таких материалов в потенциометрических мультисенсорных системах, помимо публикаций исполнителей работ по данному проекту, при анализе литературы не найдено.

В результате выполнения проекта разработаны и оптимизированы способы получения перфторированных сульфокатионообменных гибридных мембран с наночастицами допантов, в том числе с функционализированной поверхностью (обладающей гидрофильными, гидрофобными, протондонорными и протоноакцепторными свойствами). Получены образцы, обладающие превышающей проводимостью и селективностью переноса анионов, по сравнению с коммерческими аналогами, которые использованы для создания потенциометрических мультисенсорных систем. Установлена взаимосвязь состав-структура-свойства для гибридных мембран. Сформулированы теоретические и практические закономерности функционирования систем с перекрестно чувствительными ПД-сенсорами на основе гибридных мембран в водно-органических средах, состав которых определяется протолитическими взаимодействиями. Обобщены результаты комплексного исследования взаимовлияния природы, размера, концентрации допанта, способа его введения в мембрану и аналитических характеристик мультисенсорных систем на основе гибридных мембран. Предложены способы направленного варьирования характеристик ПД-сенсоров в зависимости от знака заряда, размера, природы функциональных групп и гидрофильности радикала определяемых органических ионов и рН раствора. Доказана эффективность определения компонентов технологических сред путем использования гибридных мембран с заданными свойствами, обеспечивающими снижение пределов обнаружения и увеличение точности анализа.

Результаты исследования являются оригинальными и соответствуют мировому уровню.

 

Практическая значимость исследования
Практическая значимость исследования состоит в разработке перекрестно чувствительных мультисенсорных систем на основе гибридных наноматериалов, предназначенных для определения органических и неорганических компонентов в технологических растворах, мониторинга хозяйственно-бытовых стоков (в том числе контроль за утилизацией лекарственных веществ и химических аналогов наркотических веществ), а также контроля качества пищевых и фармацевтических продуктов. 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 и внелабораторных условиях. Сотрудничество исполнителя проекта с индустриальным партнером обеспечит краткосрочное внедрение результатов ПНИ: по окончании проекта будет заключено соглашение о производстве пилотной партии мультисенсорных систем.
Влияние результатов исследования 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.
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, повышении показателей уровня жизни населения.
Ожидаемый социально-экономический эффект от внедрения результатов исследования в коммунальные хозяйства, экологические службы и другие органы контроля, государственные и частные медицинские учреждения, пищевые и фармацевтические производства будет выражаться в повышении качества мониторинга технологических сред, а, следовательно, в улучшении экологии и повышении безопасности жизни.