Группа оптических сенсоров

Наиболее значимые публикации
Представлен способ визуального определения свинца(II) в моче человека с помощью полимерного оптического сенсора и соответствующей ему цветовой шкалы. Предел обнаружения предложенного сенсора составил 6 ± 4 мкг/л, что позволяет применять его как для диагностики отравления свинцом, так и для мониторинга окружающей среды. Оценены характеристики отклика, в том числе медиана отклика, динамический диапазон и время отклика. Исследовано влияние качественного и количественного состава сенсорной мембраны на оптические свойства сенсора.
Для проведения анализа вне лаборатории предложено одноразовое тестовое устройство, в котором оптодная мембрана интегрирована в контейнер для сбора образца, что позволяет быстро определять уровень содержания свинца(II) без использования дополнительного оборудования. Данный подход представляет собой выгодную по стоимости альтернативу традиционным методам, и позволяет проводить скрининг на месте оказания медицинской помощи и in situ мониторинг содержания свинца в окружающей среде в зонах повышенного риска.
Kalinichev A., Dekina D., Pokhvishcheva N., Prozherin I., Nosov V., Peshkova M. Rapid detection of lead(II) with colorimetric optical sensors: calibration-free analysis demonstrated with semi-quantitative determination of urinary lead // Talanta. 2025. Vol. 297. № 128635. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2025.128635

Как и в случае большинства сенсоров, распространению оптодов в аналитической практике препятствует необходимость периодической градуировки. Это фундаментальное ограничение связано с рядом химических и технологических факторов, которые приводят к нестабильности оптического сигнала сенсора при параллельных измерениях с течением времени. Данное исследование было направлено на разработку и апробацию массивов ионоселективных оптических сенсоров на основе внутренних стандартов оптического сигнала, не требующих градуировки. Возможность использования предложенных стандартов оптического сигнала продемонстрирована в диапазоне рН от 5 до 9 в присутствии фонового электролита. Экспериментальные данные были подтверждены теоретически с помощью численного моделирования. Результаты апробации предложенного массива демонстрируют возможность достаточно точного определения концентрации ионов Na+ в образце с использованием внутренних стандартов цвета.
Tiuftiakov N., Kalinichev A., Gryazev I., Peshkova M. Ion-selective optical sensors with internal reference: On the quest for prolonged functionality and calibration-free measurements // Sensors and Actuators B: Chemical. 2025. Vol. 443. № 138231. https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.138231

Аналитический сигнал колориметрических оптодов обусловлен наличием в составе сенсора хромоионофора, который обычно представляет собой производное кислотно-основных индикаторов, липофилизированных путем введения длинноцепочечных углеводородных заместителей. Однако такой метод липофилизации является нетривиальной задачей из-за сложной структуры исходных соединений и сложности очистки продукта. В этой статье представлен перспективный подход к повышению липофильности водорастворимых ацидохромов посредством их перевода в форму ионной пары с высоколипофильным противоионом. Синтезированы липофильные ионные пары некоторых сульфофталеиновых красителей с катионами четвертичных аммониевых солей, которые затем были успешно апробированы в качестве хромоионофоров в полимерных оптодах. Прогнозируемый и экспериментальный рН-отклик оптодов, содержащих синтезированные ионные пары, практически не зависит от активности фонового электролита, в отличие от классических оптодов.
Pokhvishcheva N., Prozherin I., Menshova A., Vanin A., Peshkova M. Water-soluble acidochromic dyes lipophilized with quaternary ammonium cations as tunable hydrogen chromoionophores for polymeric optical sensors // Sensors and Actuators B: Chemical. 2025. Vol. 440. № 137794. https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.137794

Ионные жидкости (ИЖ) все чаще используются в качестве перспективных органических растворителей для различных областей применения, включая электрохимические процессы, новые методы разделения и инновационные методы синтеза, благодаря их низкой летучести, хорошим растворяющим свойствам, высокой ионной проводимости и электрохимической стабильности. Эти преимущества делают их перспективными кандидатами в качестве допантов для композитных и/или функциональных полимерных материалов, например, в мембранах химических сенсоров. Для эффективного использования ИЖ в полимерных материалах и управления их характеристиками необходимо полное понимание их поведения в полимерной фазе, в частности, транспортных и электролитических свойств.
В настоящей работе представлено комплексное исследование транспорта и ионного поведения ИЖ бис[(трифторметил)сульфонил]амида 1-гексил-3-метил-1H-имидазолия ([C6Meim][NTf2]) в поливинилхлоридной матрице, проведенное in situ методом ЯМР-диффузометрии с импульсным градиентом поля (PFG). Зарегистрированы серии спектров на ядрах 1H и 19F ионной жидкости [C6Meim][NTf2] в ПВХ-мембранах, допированных пластификатором бис(2-этилгексил)себацинатом, при различных амплитудах градиента магнитного поля. В широком диапазоне концентраций ИЖ в ПВХ-матрице исследована подвижность как индивидуальных ионов ИЖ, так и образующихся ионных ассоциатов; определены степень ионизации и константа диссоциации [C6Meim][NTf2] и отслежена их зависимость от содержания ИЖ.
Pokhvishcheva N., Vanin A., Vovk M., Peshkova M., Ievlev A. Application of PFG-NMR diffusometry to study diffusion and ionization phenomena in plasticized polymeric membranes doped with ionic liquids // Journal of Molecular Liquids. 2024. Vol. 403. № 124874. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.124874

Несмотря на ряд преимуществ ионоселективных оптических сенсоров (оптодов), их практическое применение ограничено механизмом отклика: сигнал зависит от активностей иона аналита и парного иона в растворе одновременно. В этой работе показано, что введение липофильного электролита в полимерную оптодную мембрану позволяет определять активность катионов H+ независимо от концентрации фонового электролита, содержащего гидрофильный катион, например NaCl. Впервые применимость этого подхода была показана с помощью численного моделирования отклика оптода. Теоретические выводы подтверждаются экспериментальными данными, полученными для оптодов на основе хромоионофоров, содержащих добавки липофильных электролитов, в том числе ионных жидкостей, путем спектрофотометрии тонких пленок и макрофотографирования сенсоров с последующим цифровым анализом цвета. Большинство экспериментальных характеристик сенсора, таких как динамический диапазон и медиана отклика, а также независимость от концентрации фонового электролита, хорошо согласуются с предложенным теоретическим описанием.
Pokhvishcheva N., Prozherin I., Kalinichev A., Peshkova M. Response Patterns of Chromoionophore-Based Bulk Optodes Containing Lipophilic Electrolytes: Toward Background-Independent pH-Sensing // ACS Sensors. 2023. Vol. 8. p. 3086–3094. https://doi.org/10.1021/acssensors.3c00742

Чтобы перейти от электродов сравнения с жидкостным соединением к твердотельным, в полимерные мембраны электродов часто добавляют органические электролиты. В данной работе предложен теоретический подход для объяснения и количественной оценки стабилизации межфазного потенциала электродов, модифицированных органическими электролитами (Q+B-). Стабилизация межфазного потенциала за счет распределения липофильных ионов электролита Q+B- между полимерной и водной фазами проиллюстрирована путем численного моделирования поведения электродов. Предложенная модель показала, что небольшие добавки традиционного ионообменника повышает эффективность электродов сравнения на основе Q+B-. Были определены оптимальные концентрации Q+B- и ионообменника в полимерной фазе, обеспечивающие стабильный электродный потенциал в широком диапазоне концентраций водных растворов электролитов. Результаты моделирования были подтверждены экспериментально для мембран на основе поливинилхлорида, содержащих ионообменник или гидрофильный электролит и Q+B- в различных пропорциях. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими в широком диапазоне составов раствора.
Kalinichev A., Pokhvishcheva N., Peshkova M. Response Mechanism of Polymeric Liquid Junction-Free Reference Electrodes Based on Organic Electrolytes // Membranes (MDPI). 2023. Vol. 13. p. 118. https://doi.org/10.3390/membranes13010118

Патенты

• Peshkova M., Krikorian A., Nair S., Ahuja P., Gratzl M. In Vitro Point-of-Care Sensor and Method of Use. Патент № US8790591. Дата приоритета 11.07.2011
• Пешкова М.А., Калиничев А.В., Декина Д.И. Cпособ определения свинца (II) в водных и биологических образцах. Патент № RU 2682162. Дата приоритета 15.03.2019