КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 18-73-00111

НазваниеРазработка новых микроэкстракционных методов на основе глубоко эвтектических растворителей для создания безопасных и качественных методов анализа и контроля пищевых продуктов

РуководительШишов Андрей Юрьевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2018 - 06.2020

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-205 - Аналитическая химия

Ключевые словаПищевые продукты, биологические жидкости, химический анализ, пробоподготовка, методы разделения и концентрирования, микроэкстракция, эвтектические растворители, лекарственные препараты

Код ГРНТИ31.19.00

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В настоящее время особое внимание уделяется проблемам контроля качества продуктов питания, в том числе задачам определения в них различных классов загрязнителей. Экспрессное определение загрязнителей в пищевых продуктах обеспечивает возможность более эффективно осуществлять контроль их качества и, как следствие, дает информацию, необходимую для создания безопасных и качественных продуктов питания. Для определения загрязнителей в пищевых продуктах в практике химического анализа широкое распространение находят современные инструментальные методы анализа (хроматографические (ВЭЖХ-УФ, ВЭЖХ-МС, ГХ-МС и др.), спектральные (ИСП, ААС и др.), электрохимические и другие методы). Значительным ограничением при использовании инструментальных методов в анализе пищевых продуктов является необходимость включения в общую схему анализа предварительных стадий пробоподготовки для устранения мешающего влияния сложных матриц проб и концентрирования определяемых веществ с целью повышения селективности и чувствительности. В этом направлении актуальной задачей является разработка новых высокоэффективных методов разделения и концентрирования, обеспечивающих быстрое, простое и надежное выделение определяемых веществ из сложных матриц пищевых продуктов для последующего их определения. Кроме того, существуют задачи разработки «зеленых» экологически безопасных методов анализа пищевых продуктов, предполагающих использование минимальных количеств реагентов и исключающих применение токсичных веществ. Для высокоэффективного выделения аналитов из сложных матриц пищевых продуктов будет изучен новый класс экологически безопасных и высокоэффективных растворителей – глубокие эвтектические растворители (ГЭР). Основными преимуществами данных растворителей является их высокая растворяющая способность, простота и дешевизна изготовления, биоразлагаемость и совместимость со многими подвижными фазами в хроматографии. Возможность применения глубоких эвтектических растворителей в химико-аналитическом контроле качества пищевых продуктов в литературе описана лишь в нескольких работах, что не позволяет систематизировать полученные знания и выявить общие закономерности для эффективного использования данного класса растворителей. Кроме того, в силу того, что большинство предлагаемых ГЭР являются водорастворимыми, пока не удается добиться высоких коэффициентов концентрирования, особенно при анализе водорастворимых пищевых продуктов. Данный проект направлен на расширение аналитических возможностей использования ГЭР при анализе пищевых продуктов. В рамках данного проекта для химического анализа пищевых продуктов будут разработаны принципиально новые методы пробоподготовки, включающие микроэкстракционное выделение аналитов в глубокие эвтектические растворители. Для этого будет впервые изучена и обоснована возможность применения различных гидрофильных и гидрофобных ГЭР для выделения различных классов аналитов из жидких и твердофазных проб пищевых продуктов. При этом будут рассмотрены варианты жидкостно-жидкостной и твердофазно-жидкостной микроэкстракции в фазу ГЭР. Возможности предлагаемых решений будут подтверждены при разработке новых схем анализа пищевых продуктов. Кроме того, в рамках данного проекта предлагается принципиально новый подход для экстракционного выделения аналитов с применением эффекта образования глубоких эвтектических смесей (ГЭС). Данный подход будет основан не на экстракции в ГЭР, а на экстракции аналитов, способных образовывать глубокие эвтектические смеси непосредственно в фазе пробы. В этом подходе в качестве экстрагентов будут выступать акцепторы водородной связи получаемой ГЭС а в качества аналитов – доноры. Данный подход позволит добиться высокой селективности выделения аналитов и больших коэффициентов концентрирования за счет образования гидрофобных ГЭС в гидрофильных матрицах и гидрофильных ГЭС в гидрофобных пробах соответственно. На основе полученных результатов планируется разработать ряд новых высокоэффективных методик для контроля качества пищевых продуктов. Новые микроэкстракционные методики, включающие экстракцию в глубокие эвтектические растворители и в образующиеся эвтектические смеси, будут использованы для определения различных классов органических веществ, в том числе лекарственных веществ (антибиотиков, нестероидных противовоспалительных препаратов), антропогенных загрязнителей (бисфенол-а), биологически активных веществ (кофеин, полифенолы), токсичных и канцерогенных веществ (фенол и его производные) в пищевых продуктах. Разработанные методики будут обеспечивать высокую экспрессность анализа, его экологическую безопасность, селективность, высокую чувствительность и низкий расход реагентов.

Ожидаемые результаты
Для высокоэффективного выделения целевых аналитов из твердофазных проб пищевых продуктов будет разработан новый метод микроэкстракции, основанный на образовании ГЭС непосредственно на мембране. Для его реализации образец будет помещаться в органический растворитель для выделения аналитов, после этого в полученный раствор будет помещаться мембрана из гидрофильного материала, на которой будет удерживаться экстрагент, являющийся акцептором водородной связи. На поверхности мембраны будет образовываться ГЭС, состоящая из экстрагента – акцептора водородной связи и аналитов – доноров водородной связи. После процесса экстракции полученная эвтектическая смесь будет элюироваться с мембраны водой для последующего анализа инструментальным методом. Такой подход позволит добиться высокой селективности выделения аналитов и полного устранения мешающего влияния матричных компонентов. По сравнению с существующими аналогами в которых в качестве экстрагентов выступают в основном органические растворители, предлагаемый подход позволит извлекать аналиты в водную фазу, максимально совместимую с инструментальными методами и добиться высокой экологичности анализа [Chanbasha Basheer, Hian Kee Lee, Jeffrey Philip Obbard, Journal of Chromatography A, Volume 968, Issues 1–2, 30 August 2002, Pages 191-199]. Возможности данного подхода будут продемонстрированы в разработке схемы выделения фенола и его производных из пищевых продуктов для их последующего ВЭЖХ детектирования с флуориметрическим детектированием. В ходе оптимизации условий анализа будут изучены такие параметры, как вид экстрагента, материал и размер мембраны, условия экстракции аналитов и их элюирования с мембраны, условия последующего детектирования. Данный подход существенно расширит аналитические возможности применения эффекта образования ГЭС при анализе твердофазных пищевых продуктов. Для анализа жидких водорастворимых проб пищевых продуктов впервые будет реализована идея жидкостно-жидкостной экстракции в образующиеся ГЭС in-situ. Этот эффект позволит существенно повысить селективность экстракции. В данном варианте экстракции в качестве экстрагентов будут использованы вещества – акцепторы водородной связи, которые находятся в жидком состоянии при комнатной температуре или имеют низкие температуры плавления для перевода их в жидкое состояние и при этом не растворяющиеся в воде. Метод будет заключаться в переводе экстрагента в жидкую фазу при необходимости и смешивании его с фазой пробы. При этом при контакте фаз будет происходить образование ГЭС между аналитами, находящимися в фазе пробы и экстрагентом, с последующим выделением фазы экстрагента. Данный подход будет впервые реализован и экспериментально подтвержден на примере разработки методики определения нестероидных противовоспалительных препаратов (НПП) в молоке. В качестве метода детектирования НПП в экстрагенте будет использован метод ВЭЖХ-УФ. Данный подход позволит селективно выделять аналиты за счет образования ГЭС и устранять мешающее влияние сложной по составу матрицы пробы. В ходе разработки методики будет подобран оптимальный экстрагент, способный образовывать устойчивые ГЭС с НПП, обладающий низкой температурой плавления, не смешивающийся с пробой и совместимый с подвижной фазой ВЭЖХ. Будут оптимизированы условия экстракции, такие как время, соотношение объемов фаз, условия перемешивания и разделения. Кроме того будут оптимизированы условия конечного детектирования аналитов в фазе ГЭС. По сравнению с представленными в литературе подходами данный метод микроэкстракции позволит не только селективно выделять аналиты и устранять мешающее влияние матрицы пробы, но при этом при правильном подборе экстрагента позволит переводить его в твердую фазу после завершения процесса экстракции, что позволит легко отделять его от пробы для последующего анализа без дополнительных стадий центрифугирования. Это позволит существенно упростить процедуру пробоподготовки, повысит экспрессность, точность и простоту анализа, так как обычно при анализе молока процедуры пробоподготовки включают длительные стадии разделения получаемых эмульсий, в том числе с использованием токсичных органических растворителей [Dawei Chen, Yunfeng Zhao, Hong Miao, Yongning Wu, Talanta, Volume 134, 1 March 2015, Pages 144-152]. Другим предлагаемым вариантом жидкостной экстракции при анализе жидких водных проб пищевых продуктов будет подход дисперсионной жидкостной микроэкстракци с использованием гидрофобных ГЭР [Dannie J.G.P. van Osch, Lawien F. Zubeir, Adriaan van den Bruinhorst, Marisa A.A. Rocha, Maaike C. Kroon, Green Chem., 2015, 17, 4518]. В рамках данного проекта планируется впервые реализовать идею дисперсионной жидкостной микроэкстракции в гидрофобные ГЭР для анализа пищевых продуктов. Методика будет заключаться в растворении гидрофобного ГЭР в полярном органическом растворителе, который будет использоваться в качестве диспергатора. После этого данный раствор будет инжектироваться в пробу с образованием микроэмульсии с большой площадью контакта фаз. При этом будет происходить процесс жидкостной микроэкстракции непосредственно в фазу ГЭР с последующим разделением фаз и детектированием аналитов в фазе ГЭР. По сравнению с описанными ранее подходами жидкостной микроэкстракции с диспергированием экстрагента предлагаемый подход повысит селективность анализа и его экологичность за счет отказа от использования классических органических экстрагентов, таких как углеводороды или хлорорганические соединения [Alireza Asghari, Ebrahim Fahimi, Mohammad Bazregar, Maryam Rajabi, Leila Boutorabi, Journal of Chromatography B Volume 1052, 1 May 2017, Pages 51-59]. Возможности данного подхода будет продемонстрированы на примере определения бисфенола-а в жидких пищевых продуктах. В ходе реализации методики будут подобраны оптимальные гидрофобные ГЭР и диспергаторы, будут оптимизированы условия экстракции, разделения фаз и конечного детектирования аналита. Для анализа жидких гидрофобных проб пищевых продуктов (растительные масла) будет разработана методика выделения аналитов при образования ГЭС непосредственно в объеме пробы. Для этого планируется разработать схему микроэкстракции согласно которой экстрагент – акцептор водородной связи растворяется в подходящем полярном растворителе и данный раствор инжектируется в фазу пробы. При этом за счет низкой растворимости экстрагента в фазе пробы он будет образовывать мелкодисперсную твердую фазу с большой площадью контакта фаз за счет диспергирования растворителем. Это приведет к эффективному массообмену. После разделения фаз полученная ГЭС будет растворена в подходящем растворителе для последующего ВЭЖХ анализа. Схема микроэкстракции будет использована для определения полифенольных соединений в растительных маслах. В ходе оптимизации методики будет изучено влияние таких параметров, как вид экстрагента, тип растворителя, условия образования экстрагента в фазе пробы, условия разделения системы и условия детектирования на получаемые воспроизводимость и прецизионность анализа. По сравнению с существующими аналогами данный подход позволит избежать длительных процедур выделения аналитов и использования селективных сорбентов [Neng-Zhi Zhou, Ping Liu, Xiao-Chuan Su, Yan-Hua Liao, Ning-Sheng Lei, Yong-Hong Liang, Shao-Huan Zhou, Wen-Si Lin, Jie Chen, Yu-Qi Feng, Yang Tang, Analytica Chimica Acta 970 (2017) 38-46]. В целом, в ходе реализации проекта будут предложены и обоснованы новые подходы для микроэкстракционного выделения аналитов как из твердофазынх проб пищевых продуктов так и из жидких гидрофильных и гидрофобных проб в глубокие эвтектические растворители. Возможности данных подходов будут продемонстрированы на примерах методик селективного выделения и определения аналитов из сложных по составу проб пищевых продуктов. Будет обоснована возможность применения эвтектических растворителей как эффективных экологически безопасных экстрагентов для ВЭЖХ определения аналитов в пищевых продуктах. Данные методики существенно расширят возможности применения ГЭР при анализе пищевых продуктов и позволят добиться высокой селективности анализа. Новые подходы микроэкстракции будут использованы для решения проблемы высокочувствительного, селективного и экологически безопасного определения загрязнителей в пищевых продуктах. В отличие от известных аналогов, новые методы пробоподготовки будут обеспечивать селективное выделение аналитов из сложных матриц проб, большую скорость и эффективность массообмена и экологическую безопасность. Возможности применения описанных подходов в химико-технологическом контроле пищевых продуктов раньше не были реализованы.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---