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 проекта 24-13-00378
НазваниеSmart materials для создания новых подходов к концентрированию и разделению в биоанализе
Руководитель Карцова Людмила Алексеевна, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-205 - Аналитическая химия
Ключевые слова Жидкостная и газовая хроматография, хромато-масс-спектрометрия, капиллярный электрофорез, smart materials, ионные жидкости, глубокие эвтектические растворители (ГЭР), дизайнерские ПАВ, наночастицы, off- и on-line концентрирование, биологически активные соединения, метаболомика, биомаркеры, хиральное разделение, хемометрическая обработка
Код ГРНТИ31.19.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Многокомпонентный состав объектов со сложной матрицей, различная гидрофобность/гидрофильность и концентрационный диапазон содержащихся в них биологически активных соединений (БАВ) требует разработки принципиально новых подходов к селективному извлечению аналитов, концентрированию и разделению, включая энантиомерный анализ.
В рамках данного проекта хроматографическими (ГХ-МС, ВЭЖХ-МС, ВЭЖХ-УФ, ВЭТСХ) и электрофоретическими (КЗЭ, МЭКХ, МЭЭКХ, КЭХ) методами предполагается выявление новых аналитических возможностей smart materials – полифункциональных материалов и организованных систем (ионных жидкостей, ближайших их аналогов - глубоких эвтектических растворителей (ГЭР), дизайнерских ПАВ, мицелл и микроэмульсий на их основе, циклодекстринов и макроциклических антибиотиков, растворителей с переключаемой гидрофильностью, наночастиц с полимерной оболочкой) для хроматографического и электрофоретического анализа биологических жидкостей и растительных лекарственных объектов при извлечении аналитов из сложных матриц, off- on-line концентрировании (динамический рН скачок, свипинг заряженных и незаряженных БАВ с разрушением мицелл - micelle collapse, варианты стэкинга др.) аналитов – диагностических маркеров многих патологий (стероидных гормонов, катехоламинов, полифенольных антиоксидантов, нестероидных лекарственных препаратов, индол- и фенолкарбоновых кислот и т.д.) и последующим их разделении. Доминирующую роль при извлечении аналитов, концентрировании и разделении будут играть исследуемые модификаторы.
Планируется выявить способность этих материалов формировать стационарные и псевдостационарные фазы, генерирующих новые режимы разделения: гидрофильная жидкостная хроматография и гидрофильный капиллярный электрофорез; лигандообменный капиллярный электрофорез, капиллярная электрохроматография, циклодекстрин-модифицированная мицеллярная электрокинетическая хроматография, хиральная электрокинетическая хроматография и т.д.), что существенно расширит аналитические возможности электрофоретического метода и позволит с высокой селективностью обнаруживать не поглощающие в УФ-области спектра аналиты, снизить пределы обнаружения (ПО) до требуемых при анализе биологических жидкостей.
Одна из важных биоаналитических задач выявление возможности изучаемых материалов выступать в качестве хиральных селекторов (ИЖ с хиральным катионом или анионом, наночастицы (НЧ), модифицированные хиральными селекторами, мицеллярные полимеры на основе хитозана) с количественной оценкой этого взаимодействия. Поиск новых хиральных селекторов остается по-прежнему актуальным. Стоит отметить, что до сих пор нет четкого алгоритма хирального разделения энантиомеров, и заявители проекта ставят задачу выбора оптимальной стратегии энантиомерного распознавания с участием изучаемых smart materials.
Особое внимание будет уделено методам пробоподготовки объектов со сложной матрицей, включая и высокосолевую природу последней, что представляет собой самостоятельную задачу: биологические жидкости (образцы мочи, плазмы и сыворотки крови; культуральные жидкости) и лекарственные растительные объекты с применением дизайна эксперимента, с применением в качестве экстрагентов ИЖ, растворителей с переключаемой гидрофильностью, микроэмульсий, ГЭР.
По окончании проекта предполагается предложить алгоритм, обеспечивающий максимальную реализацию полифункциональности изучаемых smart materials для анализа объектов биологических жидкостей и растительных лекарственных объектов с высокой селективностью и энантиоселективностью.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Поиск полифункциональных модификаторов электрофоретических систем существенно расширяет аналитические возможности метода капиллярного электрофореза. Особые перспективы обнаруживаются при использовании т.н. умных материалов: ионных жидкостей (ИЖ), глубоких эвтектических растворителей (ГЭР), мицеллярных полимеров, наночастиц и др. позволяя регулировать селективность разделения биологически активных веществ (БАВ), снижать пределы обнаружения (ПО).
В рамках проекта выявлены возможности ковалентных покрытий стенок кварцевого капилляра на основе катиона имидазолия и нековалентных – на основе хитозана и новых мицеллярных полимеров: поли-11-акрилоилоксиундецил-N-метилпиперидиний бромида (pAUMP-Br) и поли-11-акрилоилоксиундецилпиридиний бромида (pAUPy-Br), хирального сополимера на основе мономеров N-(11-акрилоилоксиундецил)-N-метилпиперидиний бромида и ацилированного хинина (pAUMP-AQin). Полученные полимеры обладают высокой солюбилизационной емкостью и образуют мицеллы при низких концентрациях, что открывает перспективы их применения в КЭ. Для выявления хирального разделения синтезирован новый сополимер с хиральной меткой на основе AUMP-Br и ацилированного хинина (AQin)
Для формирования динамического полимерного покрытия предварительно протравленные кварцевые капилляры 1 ч промывали 0.01 М водными растворами соответствующих полимеров. Наблюдали генерацию анодного электроосмотического потока (ЭОП), что свидетельствовало о перезарядке поверхности стенок капилляра Независимое подтверждение наличия покрытия получено методом СЭМ. Средняя толщина покрытия ~25 нм. Сформированные покрытия выдерживают более 50 процедур анализа. Новые модификаторы сопоставлены с традиционными – цетилтриметиламмоний бромидом (ЦТАБ) и додецилсульфатом натрия (ДДСН) на примере разделения смесей стероидных гормонов и биогенных аминов. На модифицированном капилляре с хорошим разрешением достигнуто разделение стероидных гормонов, которые на непокрытом капилляре в режиме КЗЭ мигрируют с ЭОП. Катионное покрытие на основе ЦТАБ не обеспечило разделения; при использовании ДДСН для полного разрешения пиков потребовалась большая концентрация данного агента в составе фонового электролита (ФЭ). Введение в ФЭ полимера с хромофорной группой (pAUPy-Br) позволило реализовать режим косвенного УФ детектирования аминокислот, не содержащих в составе молекул хромофорных групп.
Выявлены возможности двойной хиральной системы – «сополимер с хиральной меткой - β-циклодекстрин (β-ЦД). Достигнуто разделение энантиомеров триптофана с фактором энантиоселективности 1.5. Применение только β-ЦД (в отсутствии хинина) не обеспечило разделение рацемата.
На подготовленном покрытии с хитозаном (толщина покрытия 45 – 70 нм) на примере β-блокаторов и нестероидных противовоспалительных средств также изучены возможности двойной хиральной системы с введением в ФЭ 2-ГП-β-ЦД, β-ЦД или ванкомицина. При разделении β-блокаторов в качестве второго хирального селектора взят 2-ГП-β-ЦД. На немодифицированном капилляре с макроциклом в ФЭ наблюдалось лишь частичное разделение энантиомеров пропранолола и карведилола, и отсутствовало разделение энантиомеров соталола. Хитозан в составе двойной хиральной системы обеспечил наибольшие значения энантиоселективности в случае пропранолола и карведилола и частичное разделение энантиомеров соталола, что не было достигнуто в других вариантах.
Для увеличения удельной поверхности подготовлено покрытие на основе НЧ золота, модифицированных хитозаном. Уже при рН 7 генерировался анодный ЭОП. В системе «хитозан – GNP@CS» эффективность разделения дансилпроизводных аминокислот заметно возросла
Достоинство ковалентных покрытий – стабильность, не зависящая от значений рН ФЭ, природы образца, температуры и концентрации солевых добавок. Взаимодействия модификаторов с аналитами влияют на селективность разделения. Среди них особый интерес представляет имидазолиевый катион за счет возможности электростатических, π-π– и гидрофильных взаимодействий с аналитами,
Синтезировано ковалентное покрытие на основе имидазолиевого катиона. Анодный ЭОП указывал на прошедшую модификацию, что подтверждено снимками СЭМ. Перед каждым экспериментом измеряли скорость ЭОП для оценки стабильности покрытия; ОСКО ~ 1,2%. С высокой эффективностью достигнуто разделения метаболитов триптофана – фенил- и индолкарбоновых кислот. Принципиальная особенность покрытия: возможность определения не только кислотных, но и основных аналитов (биогенных аминов). Для снижения ПО проведены эксперименты по поиску условий online концентрирования фенил- и индолкарбоновых кислот. Лучшие результаты достигнуты при стэкинге с большим объемом вводимого образца и электростэкинге: факторы концентрирования 106 – 512 ; ПО ~ 4 – 72 нг/мл.
Возрастающий интерес к лекарственным растениям требует поиска селективных способов извлечения БАВ. Такие smart materials как ГЭР и ионные жидкости (ИЖ) интересны в силу вариативности их составов и реализации различных механизмов селективного извлечения БАВ. Предложен микроэкстракционный подход с применением рН-переключаемых систем на основе ГЭР, позволяющий сконцентрировать полярные БАВ в 9 раз. Наиболее эффективной оказалась система холин хлорид – мочевина (1:2, моль/моль), выбранная в качестве модельной для оптимизации условий методом дизайна эксперимента. Подход апробирован на 4-х природных объектах: растительное сырье Iris sibirica L, листья зверобоя продырявленного (H. perfortum L.) и мандарина (Citrus reticulata L.), корни шлемника байкальского (Scutellaria baicalensis B.) в силу их богатого метаболического профиля.
Гидрофобные ИЖ позволяют сконцентрировать малополярные аналиты из водных растворов. C6MImNTF2 наиболее полно извлекает аналиты и отделяется от сложных матриц. Сопоставление профилей для ГЭР и ИЖ в качестве экстрагентов, выявило особенность: они взаимно дополняли друг друга. Показана совместимость такого подхода с методом ВЭЖХ-МС.
Установлено, что имидазолиевые ИЖ – эффективные экстрагенты для извлечения половых стероидных гормонов из водных растворов. Изучены ИЖ в качестве модификаторов поверхности магнитного сорбента (магнитная ТФМЭ). Для C6MIm]NTF2 - как экстрагента и ацетонитрила - как диспергента достигнуты наиболее высокие результаты: степени извлечения 85 - 99%. ПО⁓1,6-0,4 нг/мл; факторы концентрирования 33-34.
Публикации
1. Карцова Л.А. Новые подходы к хиральному капиллярному электрофорезу. Тезисы ХХII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия М.: ООО «Адмирал Принт», Сборник тезисов докладов в 7 томах. Том 4. C. 14. (год публикации - 2024)
2. Карпицкий Д.А., Бессонова Е.А., Шишов А.Ю., Карцова Л.А. Изучение аналитических возможностей «умных материалов» в сочетании с методами ВЭЖХ при анализе объектов природного происхождения. Тезисы докладов ХХII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. М.: ООО «Адмирал Принт», Том 4. C. 37. (год публикации - 2024)
3. Малюшевская А., Карцова Л.А. Сравнительная оценка различных подходов к определению сахаров методом капиллярного электрофореза. Тезисы докладов ХХII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. М.: ООО «Адмирал Принт», Том 2., C. 429 (год публикации - 2024)
4. Адамова А.А., Карцова Л.А., Фетин П.А. Новый катионный модификатор электрофоретических систем на основе полимера с хиральной меткой. Тезисы докладов ХХII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. М.: ООО «Адмирал Принт», Том 2., C. 359 (год публикации - 2024)
5.
Карпицкий Д.А., Бессонова Е.А., Шишов А.Ю., Карцова Л.А.
Handshake of deep eutectic solvent and ionic liquid: Two liquid-liquid microextraction procedures for plant analysis
Talanta, Т. 282. С. 126947 (год публикации - 2024)
10.1016/j.talanta.2024.126947
6.
Адамова А.А., Орлов М.С., Раковская Н.С., Фетин П.А., Карцова Л.А.
New Comb-Like Polyelectrolytes in Capillary Electrophoresis
Chromatographia, V. 88, P. 33–43 (год публикации - 2024)
10.1007/s10337-024-04376-2
7. Зиангирова Э.Р., Колобова Е.А., Соловьева Е.В., Карцова Л.А. Comparative study of poly(diallyldimethylammonium chloride) and chitosan as physically adsorbed coatings for electrophoretic separation of biologically active compounds. XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, St Petersburg, September 2–6, 2024. St Petersburg.: VVM Publishing LLC, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts. P. 372. (год публикации - 2024)
8. Адамова А.А., Карцова Л.А., Фетин П.А. New micellar polyelectrolytes – modifiers of electrophoretic systems. XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, St Petersburg, September 2–6, 2024. St Petersburg.: VVM Publishing LLC, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts. P. 290. (год публикации - 2024)
9. Карцова Л.А., Малюшевская А.В. Analytical capabilities of various approaches to electrophoretic determination of mono- and disaccharides. XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, St Petersburg, September 2–6, 2024. St Petersburg.: VVM Publishing LLC, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts. P. 335. (год публикации - 2024)
10. Лазаретова А.И., Бессонова Е.А., Карцова Л.А. Development of analytical approaches for the determination of low molecular weight organic acids in biological fluids. XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, St Petersburg, September 2–6, 2024. St Petersburg.: VVM Publishing LLC, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts. P. 330. (год публикации - 2024)
11. Колобова Е.А., Зиангирова Э.Р., Соловьева Е.В., Карцова Л.А. Физически адсорбированные покрытия на основе хитозана для электрофоретического разделения биологических активных веществ Журнал аналитической химии (год публикации - 2025)
12. Зиангирова Э.Р., Колобова Е.А., Макеева Д.В., Соловьева Е.В., Карцова Л.А. Многослойные покрытия стенок кварцевого капилляра для электрофоретического разделения энантиомеров лекарственных веществ. Тезисы докладов ХХII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. М.: ООО «Адмирал Принт», Том 2., C. 408. (год публикации - 2024)
13. Арасланова А.Т., Бессонова Е.А., Платонова Н.В., Карцова Л.А. Analytical approaches to obtaining chromatographic profiles of amino acids and gaba content in gaba tea based on the colchis variety by HPLC-UV and HPTLC methods. XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, St Petersburg, September 2–6, 2024. St Petersburg.: VVM Publishing LLC, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts. P. 294. (год публикации - 2024)
14. Карпицкий Д.А., Бессонова Е.А., Шишов А.Ю., Карцова Л.А. Choline chloride-based DES, imidazolium ionic liquids and polydopamine-coated magnetic nanoparticles as liquid and solid smart materials in analysis of natural samples. XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, St Petersburg, September 2–6, 2024. St Petersburg.: VVM Publishing LLC, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts. P. 320. (год публикации - 2024)
15.
Карцова Л.А., Малюшевская А.В.
Сравнительная характеристика различных вариантов электрофоретического определения моно- и дисахаридов с применением дериватизации
Аналитика и контроль, Т. 28, № 2. С. 98-107 (год публикации - 2024)
10.15826/analitika.2024.28.2.003
16.
Карцова Л.А., Малюшевская А.В.
Determination of amino acids and peptides without their pre-column derivatization by capillary electrophoresis with UV and C4D detection. An overview
Journal of Separation Science, Т. 47. №16. С. 2400352 (год публикации - 2024)
10.1002/jssc.202400352
17. Бессонова Е.А., Арасланова А.Т., Москвичев Д.А., Карцова Л.А. Получение метаболических профилей биологически активных веществ в природных объектах методами хроматографии и капиллярного электрофореза с участием ионных жидкостей. Тезисы докладов ХХII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. М.: ООО «Адмирал Принт», Том 2., C. 328. (год публикации - 2024)
18. Арасланова А.Т., Василенко М., Бессонова Е.А., Карцова Л.А. Функционализированные материалы на основе ионных жидкостей и магнитных наночастиц для извлечения и концентрирования биологически активных веществ в условиях твердофазной микроэкстракции. Тезисы докладов ХХII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. М.: ООО «Адмирал Принт», Том 2., C. 361 (год публикации - 2024)
19. Ганиева А.Ш., Андросова А.В., Карцова Л.А. Determination of phenyl- and indole carboxylic acids by capillary electrophoresis using imidazole-based covalent coatings. XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, St Petersburg, September 2–6, 2024. St Petersburg.: VVM Publishing LLC, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts. P. 312. (год публикации - 2024)
20. Буторлин О.С., Бессонова Е.А., Карцова Л.А. Simultaneously determination of short- and long-chain fatty acids by hplc in the form of derivatives with 3-nitrophenylhydrazine in biological objects. XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, St Petersburg, September 2–6, 2024. St Petersburg.: VVM Publishing LLC, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”. St Petersburg. September 2–6, 2024. Book of abstracts. P. 300. (год публикации - 2024)