ИСТИНА

Данный проект направлен на разработку научных основ направленного синтеза углеродных квантовых точек с заданными коллоидно-химическими свойствами для создания эффективных систем (в том числе, иммобилизованных на гидрогелевом носителе) для аналитического определения различных биологически активных веществ (в частности, ионов тяжелых металлов, антибиотиков, техногенных органических загрязнений) спектральными методами.

This project aims to elaborate the scientific basis towards targeted synthesis of carbon quantum dots (including those immobilized on a hydrogel support) with predictable colloidal-chemical properties, for efficient determination of various biologically active compounds (for example, heavy metal ions, antibiotics, technogenic organic pollutants). Development of systems for qualitative and quantitative determination of biologically active compounds has remained of topicality over recent decades. In this regard, the use of carbon quantum dots seems promising (there are examples of research demonstrating the prospects of this approach) yet lacking systematic study. Elucidation of universal regularities relating the sensing properties of carbon quantum dots (intensity of fluorescence, its stability and sensitivity to the presence of various substrates) to the conditions of their preparation (nature of the precursor and other synthetic conditions) will make the search for systems for particular application more targeted. The major goal of this project is the systematic analysis of colloidal-chemical properties (size, charge, electrokinetic potential, stability against sedimentation and aggregation, qualitative and quantitative composition of surface functional groups), optical properties (intensity of fluorescence and its stability during storage), and sensing parameters (sensitivity of fluorescent properties to the presence of biologically active substrates) of carbon quantum dots in relation to the conditions of their synthesis and preparation of the material. This task is a multivariate one, since the above-listed properties (responses) depend on a set of parameters (predictors): the conditions of synthesis (nature of precursor, conditions of its treatment and the product isolation), the presence of the determined substrate and its concentration, and the conditions of stabilization of carbon quantum dots (nature and morphology of the carrier). Hence, the application of modern approaches to the experiment planning and data analysis in order to develop predictive models allowing targeted preparation of carbon quantum dots with predefined colloidal-chemical properties and to demonstrate the potential of these materials for future applications is proposed in scope of this project.

Основными результатами проекта станет разработка модели, позволяющей осуществить направленный синтез УКТ с заданными флуоресцентными и коллоидно-химическими свойствами и демонстрация потенциала таких материалов для практического применения. Полученные результаты можно будет непосредственно использовать при разработке реальных сенсорных систем и материалов на основе УКТ, более того, уже по результатам выполнения проекта будут разработаны системы для определения некоторых модельных субстратов. Выполнение проекта позволит получить результаты, включенные в контекст мировой науки в данной области и существенно усилить участие российских исследователей в этих перспективных разработках.

Методы и подходы, использование которых предполагается в ходе реализации данного проекта, были ранее успешно использованы в работах, выполненных под руководством или при непосредственном участии заявителя и исполнителей. Так, ранее было выполнено исследование (изложено в работах Karpushkin E. et al. Polymer International, 2012. Vol. 61. Is. 2. P. 328–336. DOI: 10.1002/pi.3194; Polymer, 2013. Vol. 54. Is. 2. P. 661–672. DOI: 10.1016/j.polymer.2012.11.055) взаимосвязи условий получения, морфологии и свойств гидрогелей поли-2-гидроксиэтилметакрилата. В частности, в этих работах были сформулированы условия получения гидрогелей различной морфологии, которые предполагается использовать в данном проекте в качестве биосовместимого стабилизирующего носителя углеродных квантовых точек. В других работах (Karpushkin E. et al. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 2007. Vol. 88. P. 107 117. DOI: 10.1016/j.chemolab.2006.08.010; Polymer, 2015. Vol. 58. P. 222–229. DOI: 10.1016/j.polymer.2014.11.039) продемонстрировано владение методами многомерного анализа данных и их применение для решения прикладных задач. Результаты предварительных экспериментов также частично опубликованы. В частности, показана зависимость выхода и оптических характеристик углеродных квантовых точек, полученных из аскорбиновой кислоты, от длительности гидротермальной обработки прекурсора (E. A. Karpushkin et al. Russian Journal of General Chemistry, 2017, Vol. 87, N. 12, pp. 2858–2864. DOI: 10.1134/S1070363217120167) и возможность включения углеродных квантовых точек в полимерную матрицу, на примере мембраны Nafion (Karpushkin et al., Mendeleev Commun., 2018, Vol. 28, N 3, pp, 251–253, DOI: 10.1016/j.mencom.2018.05.007). Таким образом, результаты ранее опубликованных работ и предварительные эксперименты, выполненные при подготовке этой заявки, демонстрируют возможность успешного выполнения сформулированной научной задачи.