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 23-23-00353

НазваниеЭлектрохимические сенсоры на основе 3D углеволоконной платформы и наноразмерных модификаторов для высокочувствительного определения синтетических красителей в пищевых продуктах и фармпрепаратах.

РуководительБухаринова Мария Александровна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный экономический университет", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

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

Ключевые словааналитическая химия, электроанализ, сенсор, синтетический пищевой краситель, углеволоконная электродная платформа, наночастицы, фитосинтез, углеродные наноматериалы, углеродная вуаль, нанокомпозит, вольтамперометрия,безопасность пищевой продукции и фармпрепаратов.

Код ГРНТИ31.19.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку новых электрохимических сенсоров и методик высокочувствительного определения синтетических пищевых красителей. Актуальность исследований обусловлена потребностью в простых, эффективных, чувствительных, селективных инструментах химического анализа для мониторинга синтетических красителей (красный очаровательный АС, тартразин, Понсо 4R, желтый "солнечный закат", бриллиантовый голубой FCF) с целью обеспечения качества, безопасности пищевой продукции и здоровья человека. В качестве основного подхода к созданию сенсоров предлагается использование 3D углеволоконного материала и композитных наноразмерных модификаторов. Для изготовления углеволоконной электродной платформы, включающей слой неэлектропроводящего полимера с клеевым покрытием и углеволоконного материала, будет использована современная технология горячего ламинирования, характеризующаяся низкой себестоимостью, простотой и масштабностью. Композитные материалы будут включать новые углеродные наноматериалы (графитовая пудра, углеродная сажа, графитовый нитрид углерода, фитовосстановленный графен), фитосинтезированные наночастицы (Au, Ag, Cu, Ag-Au, ZnO, NiO, CoO) в качестве адсорбционных и каталитических центров, медиаторов электронного переноса и полимеры для закрепления и диспергируемости компонентов нанокомпозита. Методология фитосинтеза, основанная на редуцирующих свойствах растительных экстрактов и отличающаяся простотой, экономичностью, экологической безопасностью, обеспечит получение агрегативно устойчивых и электрохимически активных «зеленых» наноматериалов. Будут использованы разные способы получения нанокомпозитов: простое механическое смешивание компонентов, послойное его формирование и однореакторный "one pot" синтез. В рамках проекта запланированы комплексные исследования морфологических, электронно-транспортных и электрохимических свойств модифицированных углеволоконных электродных платформ. Будут изучены процессы электропревращения синтетических красителей в зависимости от состава и способа получения композитного модификатора, установлены механизмы концентрирования и формирования аналитических сигналов красителей. Будут выбраны условия электрохимического концентрирования и регистрации сигналов красителей, оценены аналитические и операционные характеристики сенсоров, разработаны методики одновременного определения нескольких синтетических красителей в пищевых продуктах и фармпрепаратах. Благодаря синергизму свойств компонентов чувствительного слоя, разработанные электрохимические сенсоры будут обладать улучшенными аналитическими характеристиками и превосходить существующие аналоги. К отличительным особенностям разработанных сенсоров следует отнести одноразовое использование, исключающее очистку и подготовку электродной поверхности перед новым измерением. Это позволит сократить существующий разрыв между лабораторным и внелабораторным анализом. Достижимость успешной реализации проекта и получения планируемых результатов обусловлены накопленными знаниями и необходимыми методическими навыками у членов коллектива в области синтеза "зеленых" наноматериалов, значительным опытом разработки и применения электрохимических сенсоров.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут разработаны новые электрохимические сенсоры на основе 3D углеволоконного материала (углеродной вуали) и наноразмерных композитных модификаторов для определения синтетических красителей в продуктах питания и фармпрепаратах. При создании модифицирующего композита будут использованы разные сочетания металлических/биметаллических/оксидных наночастиц, полученных опосредованным растительными экстрактами гидротермальным синтезом (фитосинтезом), с современными углеродными наноматериалами (графитовая пудра, углеродная сажа, графитовый нитрид углерода, фитовосстановленный оксид графена) и полимерами, поэтому будет установлено влияние состава нанокомпозита и способа его получения на параметры аналитических сигналов синтетических красителей. На основании результатов электронной микроскопии высокого разрешения, метода динамического рассеяния света, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, электрохимической импедансной спектроскопии, циклической и линейной вольтамперометрии будут выбраны оптимальные составы нанокомпозитов, составлены протоколы их иммобилизации на углеволоконную электродную платформу, обеспечивающие лучшую адгезию, снижение сопротивления переносу заряда и увеличение эффективной площади поверхности. Будут установлены оптимальные условия вольтамперометрического концентрирования (состав и рН электролита, потенциал и продолжительность концентрирования) и одновременной регистрации двух и более красителей (скорости сканирования потенциала, режима и параметров развертки). Будут получены результаты оценки аналитических и операционных характеристик разработанных сенсоров и их сравнения с характеристиками существующих современных аналогов. Будут разработаны методики высокочувствительного электрохимического определения двух и более синтетических пищевых красителей при их совместном присутствии с использованием разработанных сенсоров в пищевых продуктах и фармпрепаратах. Ожидается, что разработанные новые электрохимические сенсоры для определения синтетических пищевых красителей будут обладать улучшенными аналитическими характеристиками и по чувствительности превосходить имеющиеся аналоги. Разработанные сенсоры и методики будут апробированы в анализе пищевых продуктов и фармпрепаратов. Благодаря своей конструкции, возможности разового использования, быстрого прототипирования, исключения предшествующих анализу манипуляций и снижению риска экологического загрязнения при утилизации, разработанные сенсоры будут ориентированы на "on-site" определение синтетических пищевых красителей. Это существенно расширит сферу аналитического контроля технологических процессов пищевых производств и будет способствовать решению таких задач, как обеспечение продовольственной безопасности, сохранения здоровья и качества жизни человека. По результатам реализации проекта будут опубликованы научные статьи в ведущих рецензируемых международных журналах. Результаты проекта будут использованы при подготовке кандидатской диссертации одного из участников проекта, а также в лекционных курсах для аспирантов и студентов направлений подготовки "Химические науки", "Промышленная экология и биотехнология", "Пищевая биотехнология" и "Технология продукции и организация общественного питания". Таким образом, ожидаемые результаты будут обладать как фундаментальной, так и прикладной значимостью.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Углеволоконная платформа изготовлена по технологии горячего ламинирования при температуре 165 °С с использованием полиэтилентерефталатной подложки толщиной 125 мкм и углеродной вуали плотностью 20 г/м2. Для модифицирования углеволоконных электродов (УВЭ) использованы фитосинтезированные наночастицы металлов и оксидов металлов, а также композиты на их основе. Наночастицы синтезированы с использованием растительных экстрактов, приготовленных в условиях контролируемой температуры (80 °С) и постоянного перемешивания смеси в течение 20 минут. Для исследования свойств полученных наночастиц применяли комплексный подход с использованием методов просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, спектрофотометрии, динамического светорассеяния. Установлено, что с увеличением антиоксидантной активности (АОА) растительного экстракта возрастает скорость синтеза наночастиц (Au, Ag) и наблюдается тенденция к уменьшению размера металлических наночастиц. Увеличение рН реакционной смеси приводит к возрастанию максимума светопоглощения и уменьшению его длины волны в УФ спектре наночастиц. В результате исследований, проведенных методом динамического светорассеяния, доказано возрастание устойчивости фитосинтезированных наночастиц золота с увеличением АОА и рН экстракта. По данным микроскопических исследований подтверждена сферическая форма наночастиц металлов с преобладающим диаметром около 5 нм и квазисферическая форма наночастиц оксидов металлов со средним размером 25-70 нм. В результате изучения влияния АОА и рН растительного экстракта на электрохимические свойства синтезируемых наночастиц установлено увеличение тока электроокисления фитонаночастиц металлов с возрастанием АОА, рН и аликвоты растительного экстракта. Для повышения чувствительности сенсоров использованы композитные модификаторы на основе фитосинтезированных наночастиц в сочетании с углеродными наноматериалами и полимерами, а также природные композиты. Композитные модификаторы готовили однореакторным синтезом и модифицировали углеволоконные электроды послойно. Максимальные токи окисления Е129 и Е102 были получены на УВЭ, модифицированных композитом, в котором 99.6-99.7 (масс. %) углеродного наноматериала и 0.3-0.4 (масс. %) металлических или оксидных фитонаночастиц. Установлено, что модифицирование УВЭ привело к возрастанию электроактивной площади УВЭ в 1.4-2.5 по сравнению с немодифицированным УВЭ. Отмечено улучшение электронно-транспортных свойств модифицированных УВЭ. Данные электрохимической импедансной спектроскопии показали, что сопротивление переноса заряда на модифицированных электродах уменьшается в 1.5-3.8 раза, а скорость переноса электрона увеличивается от 1.2 до 2.6 раз по сравнению с немодифицированным УВЭ. В отчетном периоде в результате выполнения работ по Проекту были разработаны два электрохимических сенсора на основе углеволоконных электродов для определения синтетических пищевых красителей Е129 и Е102. При разработке сенсора для индивидуального определения Е129 в качестве модификатора был использован природный композитный материал шунгит. Ток окисления Е129 возрос почти в 2 раза, а потенциал сместился на 20 мВ в катодную область на УВЭ, модифицированном 50 мг шунгита по сравнению с немодифицированным УВЭ. Установлено, что процесс электроокисления Е129 является диффузионно-контролируемым. Для анализа реальных образцов был использован дифференциально-импульсный режим при выбранных параметрах регистрации сигнала: амплитуда импульса – 100 мВ, длительность импульса – 25 мс. Для повышения чувствительности определения было применено накопление красителей при +0.2 В в течение 180 с. Установлены аналитические характеристики сенсора: диапазон линейности 0.001-2 мкмоль/л, предел обнаружения – 0.36 нмоль/л. Сигнал красителя стабилен при хранении сенсора в течение 60 дней. Сенсор продемонстрировал удовлетворительную межэлектродную воспроизводимость (Sr=6.0 %, n=10) и внутриэлектродную повторяемость (Sr=1.8 %, n=10). Разработанный сенсор апробирован на образцах напитков, фармпрепаратов и БАД с использованием стандартного метода добавок. Показатель правильности находится на уровне 98-105 %, что подтверждает отсутствие систематической погрешности определения красителя Е129. Разработан сенсор для определения красителей Е129 и Е102 при совместном присутствии. Для приготовления сенсора были использованы углеволоконная платформа и композитный модификатор, состоящий из фитонаночастиц оксида кобальта и графена (Со3О4-Гр). Модифицирование УВЭ позволило увеличить токи окисления красителей в 3.5 раза и разность потенциалов между пиками Е129 и Е102, что обеспечило лучшую разрешающую способность сенсора. Наибольшие отклики красителей были получены с использованием композитного модификатора, в состав которого входили 75 мкг графеновых нанопластин и 0.3 мкг наночастиц кобальта. Изучение электрохимической кинетики процессов показало, что электроокисление Е129 и Е102 имеет смешанную природу, причем адсорбция вносит бóльший вклад в электроокисление Е129. Для аналитических целей был использован метод дифференциально-импульсной вольтамперометрии. Установлены оптимальные параметры регистрации вольтамперограмм: амплитуда импульса – 75 мВ, длительность импульса – 50 мс. Линейный диапазон сенсора составил 0.1-15 мкмоль/л с пределами определения 29 нмоль/л для Е129 и 33 нмоль/л для Е102. При использовании предварительного концентрирования при +0.3 В в течение 180 с удалось снизить пределы обнаружения до 3.3 нмоль/л для Е129 и до 16 нмоль/л для Е102. Разработанный сенсор демонстрирует удовлетворительную повторяемость (Sr<3.5 %, n=10) и межэлектродную воспроизводимость (Sr<6.8 %, n=10). Разработанный сенсор был использован для определения красителей Е102 и Е129 в образцах фруктового напитка и желе по методу «введено-найдено». Результаты, полученные при анализе реальных образцов, показали хорошую воспроизводимость (Sr≤6 %) и показатель правильности (100-104 %). Научные результаты, полученные в отчетном период, опубликованы в статьях: Bukharinova M.A., Khamzina E.I., Stozhko N.Y., Tarasov A.V. Highly sensitive voltammetric determination of Allura Red (E129) food colourant on a planar carbon fiber sensor modified with shungite / Analytica Chimica Acta, 2023, 1272, 341481 M.A. Buharinova, E.I. Khamzina, V.Yu. Kolotygina, N.Yu. Stozhko. A Voltammetric Sensor Based on Carbon Veil Modified with Graphene and Phytosynthesized Cobalt Oxide Nanoparticles for the Determination of Food Dyes Tartrazine (E102) and Allura Red (E129) / Journal of Analytical Chemistry, 2023, V. 12(78), pp. 1679-1687.

 

Публикации

1. Бухаринова М.А., Хамзина Е.И., Колотыгина В.Ю., Стожко Н.Ю. Вольтамперометрический сенсор на основе углеродной вуали, модифицированной графеном и фитосинтезированными наночастицами оксида кобальта, для определения пищевых красителей тартразина (Е102) и красного очаровательного (Е129) ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 12, 78, 1134-1143 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0044450223120022

2. Бухаринова М.А., Хамзина Е.И., Стожко Н.Ю., Тарасов А.В. Highly sensitive voltammetric determination of Allura Red (E129) food colourant on a planar carbon fiber sensor modified with shungite Analytica Chimica Acta, 1272, 341481 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.aca.2023.341481

3. А.В. Тарасов, Н.Ю. Стожко, М.А. Бухаринова, Е.И. Хамзина Синтетические пищевые красители: токсичность регулирование и мониторинг материалы X Международной научно-практической конференции Инновационные технологии в пищевой промышленности и общественном питании, С. 150-154 (год публикации - 2023)

4. Хамзина Е.И., Бухаринова М.А., Стожко Н.Ю., Тарасов А.В. Положительное решение о выдаче патента от 24.10.2023 г. на изобретение "Способ вольтамперометрического определения синтетического красителя «красный очаровательный АС» и устройство для его осуществления" (заявка № 2023105239/28(011359)) -, - (год публикации - )