Нанотехнологии, нанобио-технологии, наносистемы, нано-материалы,
    нанодиагностика, наноэлектроника и нанофотоника

2011

Предложены много-отражательные времяпролетные масс-анализаторы, основанные на принципиально новых бессеточных ионных зеркалах с высокой (до 6-ой включительно) степенью фокусировки времени пролета ионов по их энергии и пространственному разбросу. Экспериментальная апробация показала устойчивое достижение рекордных значений их разрешающей способности по массе до 600 000 при сохранении высокой чувствительности. Разработка открывает путь к созданию нового класса приборов нанобиодиагностики, существенно улучшающих уровень анализа нанобиоструктур за счет сочетания высокого разрешения, чувствительности, динамического диапазона и скорости анализа.

2012—2013

1. Создан и экспериментально испытан источник ионов электроспрей с динамическим делением потока анализируемой жидкости с высокой степенью стабильности электрораспыления в широком диапазоне скоростей потока (20–200 мкл/мин) анализируемого вещества без нагрева газа носителя и газа испарителя, без использования дополнительной доионизации. Источник найдет широкое применение в масс-спектрометрии и спектрометрии подвижности ионов при исследованиях в области биохимии, фармацевтики, криминалистики, биомедицины и экологии.

2. Теоретический анализ процессов удержания сорбентов в поле ультразвуковой стоячей волны с учетом наличия в камере проточных течений различной скорости и баланса сил, возникающих при озвучивании наполненной жидкостью ультразвуковой суспензионной колонки, создал основы для создания новых методов концентрирования и разделения веществ на проточных колонках с применением ультразвуковых, магнитных и других физических полей, повышающих производительность генетического анализа.

3. Выявлены закономерности изменения поверхностной энергии и состава функциональных групп на поверхности полимерных покрытий на кварце в зависимости от содержания полистирола и полистиролсульфокислоты. На основе полученных данных, предложены составы полимерной композиции и режимы формирования сорбента на внутренней поверхности кварцевых капилляров с контролируемыми гидрофобно-гидрофильными и адсорбционными свойствами, необходимыми для изготовления полых капиллярных колонок с нейтральным или анионным полимерным покрытием.

4. Методом электронной сканирующей микроскопии и путем построения кластерной решеточной модели изучена топология поверхности срезов кварцевых капилляров с монолитными сорбентами. Установлены корреляции между условиями инициирования радикальной полимеризации, составом реакционных смесей и воспроизводимостью физических свойств сорбентов. Выявлены зависимости распределения микроглобул по размерам и формирования структуры фрактальных кластеров от состава смеси мономеров метакрилата и концентрации растворителей.

2014

1. Предложена и реализована методика фрагментного экспресс-анализа ДНК на микрофлюидном чипе, основанная на адаптации метода капиллярного электрофореза. Методика апробирована при анализе продуктов амплификации ДНК РНК – онкомаркера цитокератина-19. Подтверждена перспективность применения предложенного подхода при обнаружении мутаций, анализе экспрессии генов и для решения других задач молекулярной биологии и медицины, включая оперативную диагностику и выявление социально-значимых заболеваний на ранних стадиях.

2. Получены стабильные режимы электрораспыления жидкости с динамическим делением потоков для положительной и отрицательной моды в широком диапазоне скорости подачи жидкости. Методики распыления предназначены для реализации в источниках ионов «электроспрей» для масс-спектрометрии и ион-дрейфовой спектрометрии. Величины токов распыления в обеих модах одного порядка величин. Диапазон скоростей жидкости в экспериментах от 50 мкл/мин. до 200 мкл/мин. Стабильность тока распыления порядка 10%. Источник найдет широкое применение при исследованиях в области биохимии, фармацевтики, криминалистики, биомедицины и экологии.

3. Исследован процесс концентрирования нуклеиновых кислот (НК) на магнитных частицах с сорбирующей поверхностью, удерживаемых ультразвуковым полем (УЗ). Показано, что циклическое пропускание исследуемой пробы через частицы в УЗ поле позволяет сконцентрировать до 80% НК, содержащихся в исследуемом образце. Полученный результат может быть использован для разработки методик исследования проб, содержащих следовые количества НК.

4. Синтезированы сегментированные капиллярные колонки (СКК) для капиллярной электрохроматографии. Предложенные составы реакционных смесей, условия и методы полимеризации для изготовления СКК позволяют регулировать соотношение длин сегментов покрытий, структуру, степень ионизации и адсорбционную способность сорбентов, устойчивость к органическим растворителям-компонентам фонового электролита. Оптимальными признаны СКК, в которых один сегмент, с анионным полимерным покрытием, предназначен для разделения аналитов, а другой, вспомогательный с нейтральным покрытием обеспечивает оптимальную величину электроосмотического потока.

5. Показана возможность разделения летучих органических соединений в набивных кварцевых капиллярах с сорбентом, модифицированным синхротронным излучением, для хромато-масс-спектрометрического анализа

6. На основе масс-спектрометрического исследования электрораспыления унитиола и продуктов его мягкого окисления показано, что совмещение термостатированного ввода унитиола + окислителя с интерфейсом масс-спектрометра ЭРИАД может явиться принципиально новым методом для направленного изучения действия экологических факторов на живые системы.

2015

1. Разработаны методические основы нового метода элементно-изотопного анализа на основе масс-спектрометрии с электрораспылением и с управляемой фрагментацией и атомизацией в источнике. Эффективность метода показана более чем на 70 элементах Периодической системы от Li до U, которые выступают как катионы в водных растворах химических соединений. Для всех элементов, в том числе и для легких, пределы детектирования составляют единицы ppm. Метод сочетает в себе одновременно возможности химического, элементного и изотопного анализа и является эффективным для радиохимии и металломики.

2. Впервые показана возможность и разработаны варианты ионно-оптических конфигураций бессеточных ионных зеркал для времяпролетных масс-спектрометров с высоким порядком фокусировки времени пролета одновременно по энергии и пространственному фазовому объему ионного пакета, не имеющие фокусирующих электродов с ускоряющими напряжениями. Предложенные зеркала позволяют повысить энергию прохождения ионов во времяпролетных анализаторах и таким образом увеличить рабочий цикл этих приборов

3. Экспериментально показана возможность использования ион-дрейфового спектрометра в составе приборного комплекса «Ион-дрейфовый спектрометр с электрораспылительным источником ионов – жидкостный хроматограф» в качестве детектора к жидкостному хроматографу для расширения аналитических возможностей хроматографа – дополнительное разделение смеси веществ, в том числе изомеров.

4. Проведено сравнение разделительной способности нейтральных, анионных полых капиллярных колонок и сегментированных капиллярных колонок (СКК). При использовании СКК с анионным зарядом покрытия удалось разделить смесь неорганических катионов менее чем за 2 мин. С увеличением длины анионного сегмента в СКК время миграции аналитов снижается, а увеличение длины нейтрального сегмента способствует повышению эффективности разделения и степени разрешения пиков. Тем самым экспериментально подтверждена возможность регулирования параметров разделения за счет изменения соотношения длин сегментов с разными зарядами поверхности сорбентов.

5. Предложена методика создания наномеханических осцилляторов в виде аморфных углеродных вискеров, локализованных на вершинах металлических острий. Экспериментально продемонстрирована возможность использования наномеханических осцилляторов такого типа в качестве прецизионных детекторов массы с точностью ~10–16 г.

6. С целью получения новых сорбентов для капиллярной электрохроматографии разработан диэлектрический композит на основе титаната бария модифицированного шунгитовым углеродом и распределенного в матрице цианэтилового эфира поливинилового спирта.

2016

1. Впервые в мире получено техническое решение, позволяющее не только напрямую, без промежуточных устройств, связать жидкостной хроматограф и масс-спектрометр с электрораспылением, но и уникально расширить диапазон многокомпонентных растворов и элюэнтов анализируемых веществ: потоки от 5 мкл до 1 мл. с предельной концентрацией веществ до 1М, концентрации кислоты 1–2% и стабильным током распыления 10–7А. Это решение, реализованное в масс-спектрометре МХ5310 с российским времяпролетным масс-анализатором, существенно превосходит мировые результаты в разработке масс-спектрометров для биохимии и биомедицины.

2. Экспериментально продемонстрировано, что добротность наномеханических осцилляторов (НМО) в виде углеродных наностержней длиной ~ (1–2) мкм и диаметром ~ 100 нм, локализованных на вершинах W игл не уменьшается при переходе от низкого давления к атмосферному, что указывает на перспективность применения таких НМО в качестве резонансного детектора массы при атмосферном давлении.

3. Методом «мягкой» литографии изготовлены прототипы микрофлюидных устройств с генераторами капель пиколитрового объема для проведения экспериментальных исследований и создана установка, обеспечивающая необходимые режимы их генерации и регистрации. Выбран режим, обеспечивающий устойчивое формирование капель с воспроизводимыми размерами (коэфф. вариации не более 5,5%). Определены состав и концентрация ПАВ, обеспечивающие устойчивость капель к термическому воздействию (слияние капель происходит не более, чем в 2% случаев), что позволяет реализовать методы ПЦР в капле.

4. Разработана технология модификации стандартных Si кантилеверов углеродными нановискерами, углеродными нановискерами с Ni покрытием и микрочастицами гидроксиапатита (ГА) кальция. Продемонстрирована эффективность применения таких зондов при исследовании методом сканирующей зондовой микроскопии клеток в жидкой среде, магнитных доменов на поверхности магнитных дисков, эндотелиальной и субэндотелиальной области аортальных полулуний с отложениями ГА.

5. Показана возможность создания времяпролетных масс-анализаторов на основе электростатических секторных полей, в которых реализуется независимость времени пролета от начального пространственного разброса в ионных пакетах в приближении второго порядка. В существующих приборах это свойство реализовано только в приближении первого порядка. Результат позволяет разрабатывать секторные приборы высокой разрешающей способности (> 100 000) с увеличенной на порядок чувствительностью и для расширенного набора методов ионизации.

2017

1. Впервые показана возможность получения бескапельного ионного тока при электрораспылении с динамическим делением тока раствора до 1000 мкл/мин. Получены предельные значения концентрации целевого вещества на примере KCl до 0.25 М и концентрации кислоты в растворе до 0,1 М. В сравнительном эксперименте показана возможность эмиссии тепловых протонов при атмосферном давлении при нормальных условиях. Предложенные режимы электрораспыления открывают новые возможности в развитии масс-спектрометрических методов для биохимии и биомедицины.

2. Продемонстрирована возможность постановки изотермической амплификации на микрофлюидных чипах с различной конфигурацией реакционной камеры, выполненных из разных материалов (стекло, полимеры). Ее реализация на микрочипе позволяет создавать портативные системы для молекулярной экспресс-диагностики, обладающие преимуществами в скорости анализа и чувствительности обнаружения в сравнении с полимеразной цепной реакцией в реальном времени.

3. Предложен и обоснован новый подход для анализа сверхмалых количеств генетического материала (10 100 копий), основанный на применении последовательной комбинации полимеразной цепной реакции и «капельной» микрофлюидики, позволяющий осуществить оценку эффективности реакции и повысить точность количественного анализа.

4. Разработана технология модификации стандартных Siкантилеверов, платино-углеродными нанопроводами. Продемонстрирована эффективность применения таких зондов при исследовании нанопор и наноканалов на гидрофильных поверхностях при атмосферном давлении. Показано, что при использовании таких зондов повышается пространственное разрешение и устраняются искажения (инверсия изображений), возникающие при исследовании наноструктуры на гидрофильных поверхностях стандартными Siкантилеверами.

5. Показана возможность использования наночастиц оксида кобальта в качестве сорбента для металл-аффинной хроматографии. Исследованы поверхностные и сорбционные свойства частиц: удельная поверхность составила 26,7 м²/г, объем пор – 0.056 см³/г, сорбционная емкость по диклофенаку – 2,2 мкг/мг, исследованы условия сорбции и десорбции диклофенака с частиц оксида кобальта. Методика может быть использована при решении задач экологического мониторинга биологических систем

6. Разработана методика анализа магнитных свойств и размеров наночастиц оксидов и гидрооксидов железа, предназначенных для биомедицинских применений (повышение контрастности ЯМР томографии придиагностики онкологических заболеваний; транспортная доставка лекарств; лечение онкологических заболеваний методом гипертермии). Методика апробирована при исследовании распределения магнитных наночастиц в различных органах лабораторных животных.

2018

1. Созданы и исследованы в вакууме наномеханические осцилляторы на основе углеродных вискеров с длиной ~1 мкм, радиусом ~50 нм и резонансной частотой ~10 мГц. Обнаружено, что вследствие малого поперечного размера добротность наноосцилляторов не уменьшается при увеличении давления воздуха до атмосферного. Экспериментально доказано, что на основе таких наноосцилляторов могут быть созданы резонансные детекторы массы с чувствительностью ~10-16 г.

2. Для методов изотермической амплификации созданы микрофлюидные устройства и показана возможность проведения в них хеликаза–зависимой и петлевой изотермической амплификации. Использование методов «цифровой» капельной микрофлюидики при проведении амплификации на микрофлюидных чипах из полимерных материалов позволяет существенно повысить чувствительность анализа, избежать необходимости в дополнительных контрольных реакциях и, в конечном итоге, создать принципиально новые компактные приборы с уникальными возможностями для биологических исследований и высокочувствительных методов медицинской диагностики.

3. Предложен времяпролетный масс-анализатор, сочетающий преимущества зеркальных и секторных приборов: высокий пространственный и энергетический аксептанс при разрешающей способности по массе 100000 и высокой толерантности к количеству ионов, загружаемых на один цикл работы. Анализатор основан на сочетании цилиндрических секторных электростатических полей различных радиусов в многооборотной ионно-оптической схеме. Разработка открывает возможность повышения на порядок чувствительности и динамического диапазона времяпролентых масс-спектрометров.

4. Впервые при использовании нового интерфейса ЭРИАД, совмещенного с ахроматической системой отбора и фокусировки ионов, поступающих в масс-спектрометр, получено экспериментальное подтверждение возможности применения метода ЭРИАД МС как высокопрецизионного метода изотопного анализа. Полученный результат позволяет устранить операцию ручного ввода проб при аналитическом контроле радиоактивных топлив.

5. Показана возможность эффективного разделения газовых смесей методом хромато-масс-спектрометрии на полиакрилатных кварцевых колонках, отличающихся составом реакционной смеси и средним радиусом глобулярных частиц, заполняющих капилляр. Использование таких колонок может быть положено в основу для разработки компактной быстродействующей хроматографической приставки для хромато-масс-спектрометра.

2019

1. Разработано планарное микрофлюидное устройство подготовки биологической пробы для молекулярно-генетического анализа. Использование планарных конфигураций позволяет обеспечить эффективную теплопередачу за счет уменьшения длины термодиффузии при проведении лизиса клеток, осуществить стадии сорбции и десорбции нуклеиновых кислот на магнитных частицах в ламинарном потоке. Реализован автоматический режим, позволяющий уменьшить время подготовки пробы более чем в 2 раза.

2. Впервые в Российской Федерации разработана методика поверки генетического анализатора на стандартном образце ДНК, по результатам которой Генетический анализатор Нанофор 05 будет представлен для включения в реестр типов средств измерения. Научно-исследовательские и испытательные лаборатории, работающие по ГОСТ ISO/IEC 17025-2019, теперь имеют стандартный образец и методику поверки, необходимые для осуществления молекулярно-генетических анализов.

3. Разработаны условия и составы реакционных смесей для получения на поверхности стекла и пластин полидиметилсилоксана покрытий олигомерного диизоцианата с островковой структурой. Полученные покрытия перспективны для создания структур с высокоразвитой поверхностью, регулируемым рельефом для применения в конструкциях таких устройств, как капиллярные колонки, микрофлюидные чипы, суперконденсаторы и пр.

4. Изучено влияние напряжения электрического поля на эффективность разделения одноцепочечных фрагментов ДНК в диапазоне длин от 60 до 1200 нуклеотидов методом капиллярного гель-электрофореза в полимерах на основе линейного поли–N,N–диметилакриламида ПДМА-4, POP-4 и NimaPOP-4. Исходя из полученных данных сделан вывод о наилучших значениях напряжения электрического поля, которые следует рекомендовать для фрагментного анализа ДНК.

5. С целью совершенствования методической базы анализаторов нуклеиновых кислот разработана методика обработки сигналов в методе полимеразной цепной реакции (ПЦР) в реальном времени, применением которой является уменьшение погрешности калибровки при количественном ПЦР-анализе. Разработана экспериментальная версии программного обеспечения количественного анализа ANK_Cycles для анализаторов нуклеиновых кислот АНК-32 и АНК-48, которые серийно выпускаются в ИАП РАН.

6. Разработан алгоритм численно-аналитического расчета ионно-оптических свойств в аберрационном приближении 6 порядка мультикомпонентных секторных цилиндрических дефлекторов со смещенным потенциалом оптической оси. Расчет основан на использовании дифференциально-алгебраических методов и впервые производится без использования ранее применяемых приближений малой высоты зазора дефлектора. Алгоритм предназначен для оптимизации схем статических и времяпролетных масс-анализаторов, использующих секторные дефлекторы для достижения фокусировки по энергии.

2020

1. Предложен новый тип ионно-оптических элементов – ахроматический дефлектор на основе электростатических секторных полей со сдвинутым потенциалом оси, отличающийся простотой и компактностью. Предложенное устройство может быть использовано в широком спектре масс-спектрометрических приборов для оптимизации конструктивного расположения их элементов.

2. Разработана методика изготовления микрофлюидных чипов с системой наноканалов с заданной шириной и глубиной. Исследованы транспортные свойства полученных наноканалов в модельных растворах солей. Такие системы могут найти широкое применение в исследованиях транспорта, как ионов, так и различных молекул через наноканалы.

3. Разработана методика обработки поверхности боросиликатного стекла для применения в конструкциях микрофлюидных чипов (МФЧ), капиллярах, суперконденсаторах и ряда других устройств. В отличие от существующих методик обработки поверхности стекла, разработанная методика обеспечивает сочетание максимального увеличения поверхностной энергии, гидрофилизации поверхности и стабилизации ее параметров при минимальном воздействии на ее рельеф и шероховатость.

4. Продемонстрирована эффективность применения электронно-лучевого инициирования полимеризации смеси акриловых мономеров при получении монолитных сорбентов для капиллярных колонок и микрофлюидных чипов. Изучены фрактальные характеристики агрегатов микроглобул, квазирешетки и распределение микропор в монолитных сорбентах в полученных монолитных сорбентах, что позволяет оптимизировать их структуру и методы получения.

5. Экспериментально показана возможность регистрации аналитического сигнала бериллия в различных химических формах методом масс-спектрометрии ЭРИАД, показаны преимущества данного метода регистрации перед распространёнными аналогами. Предложена методика подготовки пробы бериллия для анализа. Показано, что при анализе хлорида и нитрата бериллия его зарегистрированные пики имеют близкие значения интенсивности.

6. Усовершенствована методика оптимизации пропускания статических магнитных масс-анализаторов в условиях наличия у них аксиальной аберрации 2-го порядка. Исследован случай произвольного количества вертикальных диафрагм, формирующих оптимальный вертикальный аксептанс масс-анализатора. Данная методика, позволяющая значительно увеличить чувствительность масс-спектрометра без ухудшения его разрешения, является оригинальной и не имеет аналога.