14.577.21.0005

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.

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.

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»”. 

 

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 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.