Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На первом этапе проекта проведены комплексные исследования сред на основе коллоидных квантовых точек (КТ) Ag2S с различной структурой поверхностного окружения для рецептора сенсора на антибиотики тетрациклиновой группы в молочном сырье, позволившие выделить наиболее перспективный материал для люминесцентного скрининга. Используя методики синтеза КТ Ag2S, пассивирированных карбоновыми кислотами (тиогликолевая кислота (TGA) и L-цистеин (L-Cys)), а также разработанных приемов функционализации поверхности КТ Ag2S аминовым (APTES) и тиоловым (MPTMS) силанами с использованим MPTMS в качестве лиганда-пассиватора, а также легирования интерфейсов КТ Ag2S ионами переходных металлов (никель, цинк) в различных объемных соотношениях w(Ni/Ag)=1%, 3%, 5%, была получена серия образцов с различным состоянием интерфейсов: КТ Ag2S/TGA, Ag2S/L-Cys), (КТ Ag2S/MPTMS КТ Ag2S/APTES), (КТ Ag2S/TGA@Ni, КТ Ag2S/L-Cys@Ni, КТ Ag2S/TGA@Zn, КТ Ag2S/L-Cys@Zn). Методами просвечивающей электронной микроскопии, энерго-дисперсионной рентгеновской спектроскопии и ИК спектроскопии поглощения установлены структурные параметры синтезированных образцов, свидетельствующие о том, что реализуемые методики синтеза обеспечивают получение ансамблей коллоидных КТ Ag2S со средними размерами в ансамбле порядка 2.5-3 нм и дисперсией по размеру 15-20%, кристаллизующихся в моноклинной кристаллической решетке (пространственная группа P21/c) с различным состоянием интерфейса: отрицательный заряд поверхности (КТ Ag2S/TGA, КТ Ag2S/L-Cys, КТ Ag2S/MPTMS), обусловленный ковалентным связыванием атомов серы и азота тиольной и амино- групп с атомами серебра на интерфейсе КТ Ag2S и свободным группировками соответствующих СОО- и SiO- радикалов, положительный заряд интерфейса Ag2S/TGA/MPTMS/APTES, обусловленный аминогруппой силана (NH+), связанного с молекулами MPTMS посредством образования водородных связей с участием силанольных групп и молекул воды, легированный ионами переходных металлов (КТ Ag2S/TGA@Ni, КТ Ag2S/L-Cys@Ni, КТ Ag2S/TGA@Zn, КТ Ag2S/L-Cys@Zn). Таким образом, реализуемые методики обеспечивают наличие на поверхности нанокристаллов условий для связывания с молекулами тетрациклинового ряда. Показано, что синтезированные образцы имеют различные люминесцентные параметры (максимум люминесценции от 720 до 1000 нм, квантовый выход от 0.04 до 0.2%), что обеспечивает возможность спектрального разделения свечения рецептора (КТ) с аналитом (антибиотик) и рабочей средой (молоко). Также показано, что легирования КТ Ag2S/TGA ионами переходных металлов обеспечивает возможность управлять положением максимума полосы рекомбинационной люминесценции и ее интенсивностью. В частности, легирование КТ Ag2S/TGA ионами цинка приводит к увеличению QY люминесценции на порядок величины, что обусловлено уменьшением каналов безызлучательной рекомбинации вследствие «залечивания» поверхностных дефектов КТ Ag2S за счет образования монослоя ZnS, а легирование КТ Ag2S/TGA ионами Ni обеспечивает тушение полосы люминесценции КТ, как и легирование КТ Ag2S/L-Cys ионами переходных металлов (Ni и Zn). Разработана методика подготовки молочного сырья с использованием 1% раствора трихлоруксусной кислоты (СCl3COOH), позволяющая исследовать люминесцентный отклик в молочном сырье с минимальным светорассеянием среды (10-15%). Установлено влияние молочной среды на люминесцентный отклик КТ. Для КТ Ag2S/TGA, КТ Ag2S/MPTMS и КТ Ag2S/APTES и КТ Ag2S/TGA@Ni и КТ Ag2S/TGA@Zn установлена трансформация спектрального контура люминесценции в молочном сырье по сравнению с водным раствором: тушение коротковолновой полосы и разгорание полосы в области 1040-1070 нм, что связано с влиянием остаточных витаминов и аминокислот, содержащихся в сыворотке, на процессы излучателной и безызлучательной дезактивации возбуждения КТ Ag2S, в частности на концентрацию соответствующих центров рекомбинации, обусловленных различными дефектами поверхности КТ. Показано, что такое влияние отсутствует для КТ Ag2S/L-Cys при различных длинах волн возбуждающего излучения, в свою очередь люминесцентный отклик продуктов молочной сыворотки в области 540-560 нм не изменяется в присутствии КТ. Показано, что для КТ Ag2S/TGA и объектов на их основе (КТ Ag2S/TGA@Ni и КТ Ag2S/TGA@Zn) в водном растворе закономерности влияния антибиотика тетрациклтнового ряда (ОТС) на люминесцентные свойства КТ различны и зависят от люминесценции исходного образца: - для КТ Ag2S/TGA (930 нм) и КТ Ag2S/TGA@Zn характерно поведение люминесцентных свойств аналогичное случаю для смесей КТ с молочной сывороткой: тушение коротковолновой полосы и разгорание длинноволновой полосы в области 1040-1070 нм по мере увеличения концентрации антибиотика в растворе; - для легированных образцов КТ Ag2S/TGA@Ni рост интенсивности люминесценция в обеих полосах; -для КТ Ag2S/TGA (1000 нм) и легированных образцов на их основе в водном растворе КТ наблюдали разгорание коротковолнового пика в 40 раз. Установлено, что в рабочей среде присутствие антибиотика дает отклик на люминесцентные свойства КТ Ag2S/TGA и модифицированных на их КТ Ag2S/TGA@Ni и КТ Ag2S/TGA@Zn аналогичный отклику молочной сыворотки для всех образцов КТ Ag2S/TGA (930 нм): тушение коротковолновой полосы 930 нм и разгорание длинноволновой – 1050 нм. Что исключает селективность данного материала для детектирования ОТС в молочной сыворотке. Для КТ Ag2S/L-Cys обнаружено тушение люминесценции в области 760 нм, соответствующей свечению КТ при добавлении антибиотика в коллоидный раствор, сопровождаемое существенным ростом интенсивности в области 540-560 нм, соответствующей свечению ОТС как в водном растворе, так и в молочной среде. Показано, что разработанные среды на основе КТ Ag2S могут работать в диапазоне концентраций, не превышающих 36,8 мг/л, более высокие концентрации ведут к коагуляции наночастиц и искажению люминесцентного отклика. Таким образом, КТ Ag2S/TGA и структуры на их основе в качестве сенсора на присутствие антибиотика в молочном сырье малоселективны поскольку дают одинаковый люминесцентный отклик как на молекулы антибиотика, так и на ферменты молочной среды. КТ Ag2S/L-Cys, люминесценция которых изменяется лишь в присутствии ОТС и никак не реагирует на рабочую среду (молочная сыворотка), могут быть использованы в качестве рецептора на антибиотики тетрациклинового ряда. При этом, наблюдаемый дополнительный эффект разгорания свечения антибиотика дает возможность сконструировать в дальнейшем сенсор ратиометрического типа (анализ на сопоставлении интенсивности двух полос: свечение КТ Ag2S/L-Cys и OTC).

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения второго этапа проекта были выполнены комплексные исследования в рамках абсорбционных и люминесцентных методик, направленные на установление механизмов и процессов, обеспечивающих изменение люминесцентных характеристик квантовых точек (КТ) Ag2S с различным состоянием интерфейса в присутствии антибиотиков тетрациклинового ряда и выявление оптимальной конструкции чувствительного элемента люминесцентного сенсора на их основе, обеспечивающей селективное детектирование тетрациклинов в молоке, что позволило разработать прототип сенсора. Прежде всего, установлены линейная зависимость квантового выхода люминесценции (QY) КТ Ag2S и ее времени затухания от концентрации вносимого антибиотика в определенном концентрационном интервале (для КТ Ag2S , пассиврованных молекулами тиогликолиевой кислоты (Ag2S/TGA) и допированных ионами никеля (Ag2S/TGA@Ni2+) возрастание QY от 0.3% до 2.2% и от 0.4% до 3.5% в области 900-1100 нм и увеличение времени затухания от 3.7 нс до 6.6 нс и 5.2 нс до 10 нс в диапазоне 0-60 мкМ, 0-20 мкМ, соответственно, для КТ Ag2S, пассиврованных молекулами L-цистеина (Ag2S/ L-Cys) снижение QY от 0.2% до 0.08% в области 725 нм и уменьшение времени затухания люминесценции от 7.2 нс в диапазоне 0-20 мкМ) и оптимальная архитектура рабочего вещества сенсора, которая представляет собой 0.2 мМ коллоидный раствор, содержащий гидрофильные полупроводниковые КТ Ag2S/L-Cys средним размером 2.8 нм, обладающие люминесценцией при 725 нм, полученные в рамках коллоидного синтеза при молярном соотношении Ag2S:L-Cys=1:1, температуре 90 ◦С и pH=10 с последующей очисткой от продуктов реакции посредством центрифугирования и повторного растворения в дистиллированной воде с контролем уровня pH=8. На основании этих данных разработаны методики качественного детектирования следовых концентраций антибиотика в среде, основанная на сравнении интенсивности свечения исходных КТ и КТ в присутствии аналита – изменение квантового выхода свечения КТ в пределах 10% указывает на присутствие антибиотика в пробе, и количественного детектирования следовых концентраций антибиотика в среде, основанную на получении калибровочной кривой зависимости соотношения эмпирических значений интенсивности эталонного свечения (F0 - в отсутствии ОТС) к аналитическому (F – в присутствии ОТС) свечению в полосе люминесценции КТ от концентрации ОТС. Установлены механизмы фотофизических процессов, обеспечивающие сенсорные свойства синтезированных образцов КТ Ag2S с различной структурой интерфейсов к молекулам антибиотиков тетрациклиновой группы. Показано, что для КТ Ag2S/L-Cys тушение свечение в полосе 725 нм, обусловлено формированием нелюминесцирующего комплекса с переносом заряда между ОТС и КТ Ag2S/L-Cys за счет связывания антибиотика с пассиватором посредством водородных связей с участием фенольного декетона и трикарбониламида ОТС, а также карбоксилат-аниона и амидной группы пассиватора, а в случае КТ Ag2S/TGA и Ag2S/TGA@Ni механизм, обеспечивающий разгорание люминесценции, является сложным и включает в себя несколько процессов, в том числе и сопассивацию интерфейса нанокристаллов и модификацию центра рекомбинационного свечения. Получены характеристики (чувствительность (предел детектирования (LOD) и предел количественного определения (LOQ)), специфичность (селективность по отношению к другим антибиотикам и сосуществующим элементам: для КТ Ag2S/TGA: LOD=3.5 мкМ, LOQ=10 мкМ, линейный диапазон 0-60 мкМ, селективен в воде к антибиотикам тетрациклинового ряда. для КТ Ag2S/TGA@Ni: LOD=0.72 мкМ, LOQ=1.36 мкМ, линейный диапазон 0-20 мкМ, селективен в воде к антибиотикам тетрациклинового ряда. для КТ Ag2S/L-Cys: LOD=0.45 мкМ, LOQ=1.36 мкМ, линейный диапазон 0-20 мкМ в воде, LOD=0.53 мкМ, LOQ=1.6 мкМ, линейный диапазон 0-15 мкМ в молоке, селективен в воде и молоке к антибиотикам тетрациклинового ряда. Сравнение разработанных чувствительных элементов с известными аналогами показало, что, зонд на основе КТ Ag2S/L-Cys достиг удовлетворительного предела детектирования, при этом обеспечивая- высокую достоверность по сравнению с аналогами, что обусловлено смещением спектральной области детектирования при 725 нм относительно области собственного свечения молока и ОТС. Полученные данные позволили разработать прототип люминесцентного сенсора на основе КТ Ag2S и методические рекомендации по его практическому применению для анализа молока и молочных продуктов на присутствие антибиотиков тетрациклиновой группы. Конструкция прототипа люминесцентного сенсора включает в себя источник возбуждения с длиной волны в диапазоне 365-410 нм; чувствительный элемент, который выполнен в виде кюветы, прозрачной в области 300-1000 нм, содержащей 0.2 мМ коллоидный раствор КТ Ag2S/L-Cys средним размером 2.8 нм и люминесценцией в области 725 нм; регистрирующее устройство, включая интерференционный фильтр, выделяющий спектральную область детектирования сигнала 700-800 нм; компьютер для обработки сигнала. Алгоритм качественного анализа молочного сырья на присутствие антибиотиков тетрациклиновой группы включает в себя подготовку аналита; регистрацию референтного сигнала – интенсивности люминесценции КТ в полосе 720-730 нм в отсутствии аналита; регистрацию люминесцентного сигнала в присутствии аналита и сравнение интенсивности люминесцентного сигнала в присутствии аналита с референтным сигналом. Алгоритм количественного анализа молочного сырья на присутствие антибиотиков тетрациклиновой группы включает в себя поправку градуировочной кривой люминесцентного сенсора на референтное значение чувствительного элемента; и сопоставление интенсивности свечения испытуемого образца с соответствующей ей концентрацией на градуировочной кривой. Полученные эмпирические данные имеют самостоятельную научную ценность для развития научно-технического направления – люминесцентной сенсорики, а также практическое применение для безопасности и мониторинга в процессе производства молочных продуктов на наличие в сырье антибиотиков тетрациклиновой группы.