Создание функциональных материалов, высокоэффективных способов и средств химического анализа для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, перехода к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов

Для перехода к персонализированной медицине, технологиям здоровьесбережения, создания безопасных и качественных продуктов питания, лекарственных препаратов актуальной является разработка сенсорных систем для выполнения простого и эффективного скрининга проб на содержание биологически активных веществ, а также методик определения содержания компонентов при их низких содержаниях были проведены следующие исследования. Разработана масштабируемая методика синтеза ГКР (гигантского комбинационного рассеивания)-сенсорных субстратов с использованием новой плазмонной структуры на основе пленки хитозана, наночастиц серебра и оксида графена (ГО). Высокая коллоидная стабильность ОГ в воде и использование водного коллоида наночастиц серебра упрощают методику синтеза подложки вследствие нанесения композита ГО-серебро на поверхность пленки хитозана без необходимости формирования пленки ГО. Такой подход открывает перспективы для обеспечения более чувствительного обнаружения даже флуоресцентных аналитов с помощью коротковолновых лазеров (532, 633 нм) вместо ИК (785, 1024 нм) и способствует практическому применению разработанных плазмонных композитов в портативных Рамановских спектрометрах. Подход к молекулярной иммобилизации и резонансному комбинационному усилению сигнала соединений с помощью комплексов-усилителей (Molecular Immobilization and Resonant Raman Amplification by Complex-Loaded Enhancers, MIRRACLE) апробирован на ГКР-активных металлических наноструктурированных субстратах, модифицированных Аg-хитозан- медь(II), для чувствительного и быстрого определения катехоламинов (КА). Возможности спектрального разделения спектров комбинационного рассеяния группы КА, которые отличаются только гидроксильной или метильной группой, в области «отпечатков пальцев» успешно продемонстрированы с помощью классической модели наименьших квадратов. Достигнутые пределы обнаружения КА на уровне наномолярных концентраций при мощности лазера всего 1.5 мВт позволили успешно апробировать разработанную сенсорную систему для мультиплексного определения катехоламинов на уровне референсных концентраций в крови здоровых людей. Была разработана ГКР сенсорная структура, моделирующая поверхность и размеры вируса SARS-CoV-2. На основе предложенной плазмонной сенсорной структуры был разработан экспрессный ДНК аптасенсор для обнаружения коронавируса (штамм Ухань). Для работы с вирусами на таких сенсорных платформах не требуются специальные разрешения, и они могут применяться в любых лабораторных и внелабораторных условиях. Разработаны наноматериалы на основе хитозана для доставки лекарственных веществ через клеточную мембрану. Синтезирован карбоксиметилированный хитозан с малой степенью конверсии, содержащий 30% карбоксиметильных групп на мономерное звено, которые проникают в цитоплазму и ядро клеток рака молочной железы человека. Получены тройные агрегаты модельного антибиотика (цефтриаксона) с противоположно заряженным ПАВ (цетилтриметиламмония бромидом) и гидрофобным красителем. Агрегаты данного типа образуют ионы гидрофильных лекарственных веществ, которые могут таким образом быть визуализированы за счет находящегося в их составе флуоресцентного красителя. Получены также контейнеры, содержащие названные агрегаты и хитозан. Обнаружено, что клетками рака молочной железы поглощаются контейнеры на основе карбоксиметилированного хитозана, другие полимеры обеспечивают худшую интернализацию контейнеров. Полученные наноконтейнеры перспективны для доставки и визуализации доставки гидрофильных цитостатических лекарственных веществ. Изучены возможности использования аналитических систем на основе треугольных нанопластинок серебра для спектрофотометрического определения восстановителей. Изучено влияние рН, времени взаимодействия, концентрации реагентов и посторонних соединений на величину аналитического сигнала. Предел обнаружения L-аскорбиновой кислоты в выбранных условиях равен 0.5 мг/л, диапазон определяемых содержаний составляет 1.7–60 мг/л. Предложенный в работе подход применен для определения L-аскорбиновой кислоты в листовом зеленом чае и яблочном соке. Изучено взаимодействие между треугольными нанопластинками серебра (ТНП) и биофлавоноидами в присутствии ионов серебра(I). Установлено, что пределы обнаружения биофлавоноидов в выбранных оптимальных условиях увеличиваются в ряду морин < рутин = кверцетин < дигидрокверцетин и составляют 0.9, 1.2, 1.2 и 2.0 мкмоль/л·соответственно. Предлагаемый подход применен для спектрофотометрического определения флавоноидов в фармацевтических препаратах и шелухе лука. Оценены возможности трехреагентной бумажной микрофлюидной аналитической системы, включающей в качестве реагентов нитрат серебра, тетрафторборат 4-нитрофенилдиазония и хлорид железа(III), для определения дигидрокверцетина. Способ применим для прямого измерения высоких содержаний дигидрокверцетина, что удачно для анализа многих биологически активных добавок (БАД). С использованием 5-нитро-2-фуральдегида в качестве нового дериватизирующего агента предложен способ быстрой пробоподготовки образцов пищевых продуктов при определении в них метаболитов нитрофуранов методом ВЭЖХ-МС/МС. Проведено определение метаболитов фуралтадона, фуразолидона, нитрофурантоина и нитрофуразона в курином мясе, печени, желудках и сердце кур с использованием разработанного способа и официальной методики. Предложенный способ обеспечивает количественное выделение метаболитов. Разработан количественный мультиклассовый многокомпонентный аналитический метод определения ветеринарных препаратов в молоке методом ВЭЖХ-МС/МС. Всего исследовано 132 ветеринарных препарата, относящихся почти к 15 классам. Разработана процедура магнитной твердофазной экстракции с использованием магнитного сверхсшитого полистирола для пробоподготовки образцов перед ВЭЖХ-МС/МС анализом без этапа депротеинизации. Проведено сравнение особенностей извлечения дофамина из водных растворов сорбентами γ-Al2O3 и Strata-SDBL в статическом режиме, изучено влияние различных параметров (рН, времени контакта фаз, концентрации дофамина) на сорбцию. Для сорбционного концентрирования катехоламинов при их низких содержаниях в пробе целесообразно использовать γ-Al2O3; при этом сорбент Strata-SDBL может быть рекомендован для экспрессного концентрирования катехоламинов в динамическом режиме. Новые комбинированные растворители, представляющие собой двухфазные водные системы (ДФВС) на основе галогенидов тетраалкиламмония, исследованы для экстракции органических соединений (красители, нестероидные противовоспалительные препараты, НПВП) и ионов РЗЭ. Установлены оптимальные условия получения гетерогенных систем жидкость-жидкость и факторы, влияющие на границы области расслоения. Изучены физико-химические свойства экстрагирующей фазы (плотность, вязкость, содержание воды и др.) и возможность применения для микроэкстракционного концентрирования комплексов ионов металлов и органических соединений. ДФВС на основе бромида тетрабутиламмония (ТБАBr) с сульфатом аммония в качестве высаливателя применена для микроэкстракционного концентрирования синтетических пищевых азокрасителей. Степень извлечения всех аналитов составила не менее 97% при рН 2.3–9.5 за 1 мин. Количественная групповая экстракция РЗЭ (Sc, Y, Ln (La – Lu), Th, U) в ДФВС на основе ТБАBr (не менее 95%) достигается в диапазоне рН 3.5–8.0 за 10 мин, только в присутствии комплексообразующих агентов. Концентрирование в ДФВС снижает влияние матричных компонентов (щелочные, щелочноземельные металлы), солевой фон при извлечении РЗЭ из растворов с высоким содержанием солей и позволяет сохранить высокую чувствительность определения РЗЭ методами АС-ИСП и ИСП-МС. Продолжены работы по изучению механизма удерживания гидрофильных аналитов на сорбенте Hypercarb. Использовали ранее разработанную нами установку, позволяющую проводить ВЭЖХ разделение при приложенном к сорбенту электрическом потенциале. Получены данные по удерживанию заряженных и незаряженных органических аналитов на сорбенте Hypercarb в диапазоне потенциалов разомкнутой цепи от –110 до +300 мВ. Изучена возможность концентрирования некоторых ПАУ на гидрофобизированном кремнеземе (ХМК-С16), модифицированном наночастицами магнетита (ХМК-С16-100/Fe3O4). Разработан способ модифицирования кремнезема с привитыми группами иминодиуксусной кислоты наночастицами магнетита. Полученный магнитный сорбент применен для сорбционного концентрирования ионов металлов из водных растворов. Установлено, что сорбционные свойства полученного магнитного сорбента (область рН максимального извлечения, эффективность извлечения, кинетика сорбции) идентичны свойствам исходного сорбента. Предложено использовать магнитный гидрофобизированный кремнезем в процессе пробоподготовки при определении ряда лекарственных препаратов (4-хлорфенилмочевины, дифлубензурона) в почках крупного рогатого скота. Установлено, что применение ХМК-С16-100/Fe3O4 для очистки ацетонитрильных экстрактов почек позволяет сократить время проведения анализа. Продолжено изучение материалов аналитического назначения – гелей на основе оксида кремния, допированных железом(III), для определения ацетилхолина после его гидроксамации. Оценены возможности двух способов регистрации аналитического сигнала – интенсивности окраски - с помощью микропланшетного фотометра (λ = 510 нм) и с помощью камеры смартфона с последующим анализом цифровых изображений (модель цвета RGB). Синтезированы новые материалы аналитического назначения - ксерогели, допированные ванадием(V), и оценены их возможности для определения гидроксамовых кислот. Проведены исследования, направленные на выявление размерных зависимостей констант элементарных стадий действия нанозимов «искусственная пероксидаза», представляющих собой наночастицы берлинской лазури. Для больших нанозимов бимолекулярные константы скорость-лимитирующих стадий на 4 – 5 порядков выше по сравнению с ферментом пероксидазой. Для анализа неразбавленного пота верхний предел обнаружения лактатных биосенсоров должен быть не менее 100 мМ. Для достижения этого результата биосенсор покрывали дополнительной полимерной мембраной, которая, благодаря своему отрицательному заряду, ограничит транспорт отрицательно заряженного субстрата (лактата). Биосенсор с диффузионно-лимитирующей мембраной, содержащей 4 % иономера, является оптимальным: широкий диапазон определяемых концентраций (0.5–500 мМ), высокая чувствительность (0.11 ± 0.03 мА М-1 см-2) и значительно увеличенное время полуинактивации (35 ± 1 ч). Линейный диапазон такого биосенсора (от 0.5 до 100 мМ) перекрывает интервалы физиологических концентраций лактата как в неразбавленном поте, так и в крови человека.