Введение к работе
Актуальность темы. Использование принципов организации и функционирования биологических мембран для создания хемосенсорных материалов (ХМ) с целью оптического контроля биохимически активных веществ в настоящее время является одной из активно развивающихся областей науки, «на стыке» биологической и биоорганической химии, физической и коллоидной химии, биомедицины и бионанотехнологии [Штильман М.И., 2006; Зайцев С. Ю., 2010 и др.]. Одним из подходов для создания хемосенсорных материалов является приготовление композиций на основе ряда необходимых компонентов (хромоионофора и одного или нескольких полимеров и/или сополимеров) для конкретных применений. Действие оптических хемосенсоров основано на измерении поглощения и флуоресценции фоточувствительного реагента при контакте сенсора с определяемым биологически-активным веществом, так называемым «аналитом» [Алфимов М.В., 1997; Громов С.П., 2007 и др.]. Мониторинг как окружающей среды, так и физиолого-биохимического статуса живых организмов становится все более актуальной и важной задачей по мере развития промышленности, производства медицинских и ветеринарных препаратов [Алыкова, Т.В., 2002; Ермаков В.В., 2008 и др.]. Еще одной актуальной проблемой является создание материалов диагностических систем для «микроробота», работающего непосредственно внутри сосудов человека и животных.
Данная работа проводилась в рамках проекта «2007-3-2.3-11-02-003» по федеральной научно-технической целевой программе ФНТЦП Минобрнауки РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме «Создание системы очувствления внутрисосудистого микроробота для сбора информации о ситуации внутри полости биообъекта» на 2007-2009 г.г. кафедры органической и биологической химии ФГОУ ВПО МГАВМиБ (совместно с МГТУ имени Н.Э. Баумана и ЦФ РАН).
Цель работы – разработка методики, получение и исследование хемосенсорных наноструктурированных материалов на основе фоточувствительных производных краун-эфиров для детекции аминокислот и катионов кальция.
Исходя из этой цели, были поставлены задачи:
1. Получить и исследовать хемосенсорные материалы (ХМ) на основе синтетических и биологических полимеров, в том числе — с включением биоорганических соединений типа азокраун-эфирных производных стириловых красителей (КЭ). Изучить оптические свойства этих соединений в различных биополимерных матрицах. Оптимизировать методы получения и свойства ХМ.
2. Провести спектральный анализ хемосенсорных материалов с КЭ №5 в присутствии ряда аминокислот.
3. Разработать экспериментально-расчетные подходы и методики исследования комплексообразования производных краун-эфиров с катионами кальция.
4. Разработать рецептуру получения хемосенсорных материалов на основе желатина и иммобилизованных в него производных краун-эфиров.
5. Оценить перспективность полученных монослоев и краун-содержащих композитных материалов с основой из биополимерной матрицы и для создания сенсорных элементов устройств оптического контроля щелочноземельных металлов (на примере кальция) и малых органических молекул (на примере аминокислот).
Научная новизна работы. Разработан экспериментально-расчетный метод (ЭРМ) для математического описания процессов при исследовании и получении ХМ. Разработана новая методика исследования производных краун-эфиров, селективных к катионам кальция, названная «методом контролируемой диффузии» (МКД). Посредством данной методики были изучены особенности процесса комплексообразования некоторых производных краун-эфиров с катионами кальция. Предложена новая рецептура получения сенсорных материалов на основе двух типов краун-эфиров, иммобилизованных в пленку из желатина.
Теоретическая и практическая значимость.
Получены фундаментальные результаты по фоточувствительным свойствам краунсодержащих стириловых красителей в полимерных матрицах при взаимодействии с катионами кальция и рядом аминокислот. Получены краунсодержащие композитные материалы для создания сенсорных элементов устройств оптического контроля катионов кальция и ряда аминокислот. Результаты диссертационной работы используются для обучения студентов 3, 4 и 5 курсов и магистров ветеринарно-биологического факультета и в рамках НОЦ (ГК № 02.740.11.0270 и ГК № 02.740.11.0718) ФГОУ ВПО МГАВМиБ в учебных курсах «Биохимия», «Физическая и коллоидная химия», «Спектральные методы исследования» и «Бионанотехнологии».
Результаты работы использованы совместно с МГТУ имени Н.Э. Баумана и ЦФ РАН в рамках гос. контракта №02.523.12.3009 «Создание микророботехнического комплекса на основе внутрисосудистого микроробота для осуществления диагностических, терапевтических (доставка лекарственных препаратов) и хирургических процедур при атеросклеротических заболеваниях трубчатых органов», включая совместный патент РФ № 2389745 (см. список работ).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методики получения оптимальных по составу и свойствам матриц из синтетических и биологических полимеров.
-
Методики изучения поведения биоорганических молекул в растворах и матричном окружении на модели фотохромных производных краун-эфиров.
-
Данные по спектральным характеристикам комплексов биоорганического азакраун-содержащего соединения (КЭ №5) с аминокислотами: глицином, фенилаланином, аланином, серином, аргинином, изолейцином, лизином.
-
Спектральные характеристики комплексов биоорганических азакраун- содержащих соединений (КЭ №3, №4, №6) с катионами кальция.
-
Хемосенсорные материалы с иммобилизированными биоорганическими соединениями как элементы сенсорных устройств оптического контроля катионов кальция и некоторых аминокислот.
Апробация работы. Основные материалы диссертации были доложены на III международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (МГУ, Москва, 2008); на международной научно-практической конференции «Достижения супрамолекулярной химии и биохимии в ветеринарии и зоотехнии» (ФГОУ ВПО МГАВМиБ, Москва, 2008); на конференциях молодых ученых и семинарах в ФГОУ ВПО МГАВМиБ (2006-2009); на V Каргинской конференции (МГУ, Москва, 2010); на V Международной научной конференции «Актуальные проблемы в животноводстве» (ГНУ ВНИИФБиП с./х. животных, Боровск, 2010);на 2-й международной молодежной школе-конференции по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов (Туапсе, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 6 статей (в т.ч. 2 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК), 7 тезисов докладов на российских и международных конференциях, 1 патент РФ.
Личный вклад автора. Все этапы работы, включая разработку методик, проведение эксперимента, обработку и анализ полученных результатов были проведены лично автором или при его непосредственном участии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов экспериментов и их обсуждения, выводов, списка литературы и приложения. Материалы диссертационной работы изложены на 125 страницах машинописного текста и включают 34 рисунка и 18 таблиц. Список литературы содержит 87 источников (из них 30 отечественных и 57 зарубежных).
