2.Жидкостная экстракция

Жидкостная экстракция - экстракция, заключающаяся в перераспределении компонентов между несмешивающимися жидкими фазами, одна из которых содержит экстрагент. Перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент). Один из массообменных процессов химической технологии.

  Используется для

•      извлечения;

•     разделения;

•     концентрирования растворенных веществ.

Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов из исчерпываемой (тяжелой) фазы, которая чаще всего представляет собой водный раствор, в извлекающую (легкую) фазу (обычно орг. жидкость). Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является раствором одного или нескольких экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физ. (вязкость, плотность) и экстракции свойств экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, которые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам раствора. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие растворимость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание фаз (спирты, кетоны, трибутилфосфат и т. д.).

К основным стадиям жидкостной экстракции относятся:

1) приведение в контакт и диспергирование фаз;

2) разделение или расслаивание фаз на экстракт (извлекающая фаза) и рафинат (исчерпываемая фаза);

3) выделение целевых компонентов из экстракта и регенерация экстрагента, для чего наряду с дистилляцией наиб, часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный жидкостной экстракции), обрабатывая экстракт водными растворами веществ, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в раствор или осадок и их концентрирование;

4) промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного раствора.

В любом экстракции процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что обусловлено наличием избыточной свободной энергии вследствие большой межфазной повторяемости. Последняя уменьшается из-за коалесценции (слияния) капель дисперсной фазы.

                                                                                       Микрофлюидика

Микрофлюидика - развивающееся междисциплинарное направление исследований, которое позволяет делать очень многое - от аналогового компьютера, устойчивого к электромагнитному импульсу ядерного взрыва, до совершенных полифункциональных биосенсорных чипов, lab-on-chip и биосовместимых поверхностей медицинских имплантантов. Ее развитие в последнее время все чаще связывают и с развитием нанотехнологий. Ниже приведена одна из фундаментальных работ, которая обещает новые громкие достижения в этой уникальной области...

Гидрофобизация твёрдой поверхности снижает сопротивление течению жидкостей вблизи неё благодаря гидрофобному скольжению. К сожалению, этот эффект проявляется только в наномасштабе и не может существенно повлиять на потоки в устройствах для микрофлюидики. Куда более эффективное уменьшение вязкого сопротивления, проявляющееся и в микромасштабе, может быть достигнуто при использовании супергидрофобных поверхностей.

Это связано с тем, что такая поверхность содержит захваченные микро- или нанотекстурой (узором) газовые участки, вдоль которых жидкость течёт практически без трения (гигантское скольжение). Однако супергидрофобная поверхность гетерогенна, включая в себя твёрдые гидрофобные участки с малым скольжением, и, в общем случае, анизотропна. Поэтому расчёт и оптимизация эффективного скольжения по супергидрофобной текстуре представляет собой чрезвычайно сложную математическую задачу. В результате до сегодняшнего дня проблема была решена только для отдельных простейших случаев, что ограничивало теоретические рекомендации по рациональному дизайну супергидрофобных текстур и их использование в микро- и нанофлюидике.

        Интернациональным коллективом исследователей в составе Франсуа Фёйбуа (Парижская высшая индустриальная школа физики и химии, Франция), Мартина Базанта (Университет Стэнфорда и Массачусеттский технологический институт, США) и Ольги Виноградовой (Институт физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН, Россия) было предложено общее решение задачи об эффективном скольжении по супергидрофобным стенкам, которое позволило описать и оптимизировать течение в тонком канале для микрофлюидики. Вместо точного анализа течения жидкости вблизи гетерогенных участков авторы предложили рассчитать эффективную проницаемость системы с использованием методов современной теории гетерогенных сред и затем искать решение для эффективной длины скольжения в форме математических границ.

       Среди всех возможных супергидрофобных текстур, анизотропная упорядоченная ламеллярная («страйпы») обеспечивает максимально допустимое (или минимальное) скольжение в случае параллельной (или перпендикулярной) ориентации относительно градиента приложенного давления. Для изотропных текстур авторы предсказали более узкую «вилку» для эффективного скольжения. Интересно, что граница максимального скольжения для изотропных стенок супергидрофобных каналов соответствует точным решениям для известных в других областях физики гетерогенных структур: фракталу Хашина-Штрикмана и периодической сотовой (что, в частности, предлагает использование графена). Замечательным результатом работы является то, что для некоторых каналов «вилка» разрешённых значений эффективного скольжения оказывается настолько узкой, что метод математических границ позволяет найти практически точное решение задачи, избегая сложных гидродинамических расчётов. Помимо этого, авторы показали, что, управляя параметрами поверхностной текстуры тонкого канала, можно достигнуть состояния «сверхтекучести» водных растворов, так как из-за гигантского эффективного скольжения течение в канале становится плоским («plug-flow»), а вязкое трение практически полностью отсутствует

3. Как используются нанобиотехнологии для решения экологических проблем? Методы нанотехнологий открывают новые пути решения проблем охраны окружающей среды. В первую очередь речь идет об использовании наноустройств в системах исследования и контроля продуктов и отходов различных химических производств, а также о переработке бытового мусора и очистке загрязненных водоемов. Можно сослаться на приводимые ниже примеры использования методов нанотехнологий в области экологии и энергетики: Сокращение отходов производства и повышение энергетического КПД. Наиболее заметные успехи достигнуты в разработке новых методов катализа, где использование наноразмерных реагентов позволяет повысить эффективность каталитических реакций (скорость, выход) как в гомогенных, так и в гетерогенных системах. Использование наноразмерных материалов (например, аэрогеля V2O5) в катодах литиевых аккумуляторов значительно повышает их емкость и срок службы. Экологически безопасные композиционные материалы. Совместимость композиционных материалов с наноразмерными инородными включениями открывает возможность производства высококачественных материалов специального назначения (например, для систем фильтрования). На основе таких композитов можно создавать системы, отличающиеся повышенной стойкостью к воздействию окружения, длительным сроком службы, малым воздействием на окружающую среду. Переработка отходов. Наноматериалы находят все большее применение в процессах переработки и обезвреживания отходов: от окисления органических загрязнителей с помощью наночастиц TiO2 до связывания атомов тяжелых металлов наноразмерными поглотителями. Во многих случаях в качестве агентов окисления могут использоваться активированные облучением частицы (в растворах или аэрозолях). Обнаружено, что наночастицы TiO2, подвергнутые УФ-облучению, могут очищать воздух от различных загрязнителей, включая микроорганизмы и опасные органические соединения. Наноразмерные частицы после соответствующей обработки их поверхности лигандами и реагентами могут эффективно связывать атомы тяжелых металлов и резко снижать коррозию металлических поверхностей. Способность наноматериалов поглощать атомы тяжелых металлов может быть использована в переработке ядерных отходов. Зад. Использования новых подходов в нанодиагностике для экологических целей.

Методы нанодиагностики для анализа состояния экосистем

Методы измерения и контроля наноразмеров и контроля наноколичеств: интерферометрия, эллипсометрия, растровая электронная микроскопия, сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия, вторичная ионная масс-спектрометрия, Оже-спектроскопия, электронная спектроскопия для химического анализа, рентгено-спектральный микроанализ, электронный и ядерный парамагнитный резонанс, ИК-Фурье спкетроскопия, хроматография, электрофорез.

Методы исследования структуры рентгеноструктурный анализ, просвечивающая электронная микроскопия, электронография, дифракция быстрых и медленных электронов, малоугловая дифракция, обратное рассеяние Резерфорда. Атомно-зондовые методы анализа поверхности: контактные и бесконтактные методы, сверхлокальный контроль электрических и магнитных полей, измерение емкости и концентрации носителей заряда, адгезионных параметров.

Электрические методы контроля свойств наноструктур: токовая и емкостная спектроскопия. Активная метрика процессов синтеза наноструктурированных материалов и нанослоевых композиций. Микро- и наноаналитические системы. Биомедицинские методы нанодиагностики. Биочипы и биокластеры.

Анализ эффективности использования новых подходов в нанодиагностике для экологических целей.

 

Нанодиагностика магнитной среды посредством колебания спиновых волн

И вот теперь ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST), наноцентра Мэрилендского университета и Королевского технологического института в Швеции разработали новый инструмент — метод для обнаружения дефектов в магнитных структурах, малых вплоть до размера десятой доли микрометра, даже если анализируемая область покоится внутри многослойного электронного устройства.

    Технология, продемонстрированная в NIST? основана на работе ученых из университета штата Огайо. Идея состоит в том, чтобы изловить и изобразить колеблющиеся пертурбации магнитного поля — спиновые волны — на тонкой пленке. Отловленные спиновые волны дают ученым мощный новый инструмент для измерения свойств магнитных материалов и поиска наномасштабных дефектов, которые могли бы вызвать ошибки памяти, особенно в многослойных магнитных системах, таких как типичные жесткие диски, где дефекты могут быть расположены ниже поверхности.

    По словам исследователя Роберта Макмайкла, намагничивание оставленного в покое материала походе на поверхность водоема в безветренный день. Такой водоем состоит из меньших магнитных моментов, которые прибывают с квантово-механическим спином электронов. Если поколебать поверхность водоема палкой или магнитными волнами в данном случае, она начнет колебаться со спиновыми волнами, поскольку микроволновая энергия толкает спины, которые, в свою очередь, толкают своих соседей.

Билет 4

1. Определите основные понятия нано- и биотехнологии.

Биотехнология, или технология биопроцессов - это производственное использование биологических структур для получения пищевых и промышленных продуктов и для осуществления целевых превращений. Биологические структуры в данном случае - это микроорганизмы, растительные и животные клетки, клеточные компоненты: мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты, а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

2. Как применяются датчики, биосенсоры и биочипы в экологии?

Биологические методы позволяют судить о присутствии какого-либо вещества или его количественном содержании по характеру и величине его воздействия на определенный организм, взятый как индикаторный. Аналитическим сигналом при этом является изменение состояния жизнедеятельности этого организма, то есть его реакция на раздражитель, которым, например, могут быть токсиканты среды обитания или какие-либо другие биологически активные соединения, вызывающие нарушение жизненных функций индикаторного организма или его гибель. К биологическим методам относят и биохимические методы, в частности ферментативные, а также различные методики, например индикаторные трубки на основе ферментов и других биологических материалов. Интересно, что механизм получения информации о составе какого-либо объекта с помощью этих методов и устройств моделирует процесс в живой природе, что особенно важно при анализе объектов биологического происхождения.

Известно, что ферменты - это биологические катализаторы, обладающие ярко выраженной способностью избирательно катализировать многие химические превращения как в живой клетке, так и вне организма. Замечательные свойства ферментов давно привлекали внимание исследователей, в том числе и аналитиков, но практическому применению ферментов, например для аналитических целей, препятствовали прежде всего малая доступность чистых ферментов, неустойчивость во времени их растворов, препаратов при хранении и воздействии на них различных факторов (тепловых, химических), невозможность многократного использования одной порции фермента из-за сложности отделения его от других компонентов раствора, высокая стоимость очищенных препаратов. Однако выход из положения вскоре был найден, и появилась возможность использования каталитических свойств ферментов вне их связи с живым организмом и возможность сохранения этой способности в течение длительного времени практически без изменения. Достижения в этой области биохимии и энзимологии дали начало развитию нового направления аналитической химии – безреагентных методов анализа, основанных на использовании различных биохимических сенсоров.

Биочип – это матрица, на которую наносятся биологические макромолекулы (ДНК, белки, в том числе и ферменты, клетки), способные избирательно связывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе.

Основой биочипа является матрица микроячеек на плоскости, каждая из которых содержит молекулярные зонды, специфичные к одной из множества биологических молекул или их фрагментов.

В качестве молекулярных зондов могут служить олигонуклеотиды, фрагменты геномной ДНК, РНК, белки, полипептиды, рецепторы антител, лиганды, олигосахариды и т.д. Таким образом, это многопараметровый (в некоторых случаях до 16 искомых показателей) анализ одного биообъекта.

Матрицы для биочипа - это может быть стеклянный или гелевый слайд стандартного размера 25х75х1 мм. Так как большинство сканеров биочипов работают именно в таком формате, для пользователя важно, что покупая готовый биочип, он может анализировать его на сканере любого производителя. 

Биологические микрочипы широко используются в in vitro диагностике.

3. В чём смысл «уроков природы» в бионанотехнологии?

Зад. Устройства и приборы для биологических и медицинских исследований.

Билет 5

1. Критические аспекты биомаркеров в нано- и биотехнологиях.

Биомаркеры

           Биомаркер (англ. Biomarker) — система показателей (маркеров), характеризующих взаимодействие организма с потенциально опасными агентами разной природы (физической, химической, биологической и т.д.). Термин введен Национальной академией наук США для биологического мониторинга населения. Биомаркеры позволяют проверять предполагаемый механизм или токсикологическую модель. Они выявляют лиц с повышенным риском, т.е. с повышенным содержанием в организме тех или иных опасных веществ, обеспечивают большую точность при оценке экспозиции к воздействию и дают возможность оценить правильность фармако-кинетических моделей. Использование биомаркеров полезно при оценке воздействия специфических веществ или физических факторов, но их трудно использовать при воздействии многокомпонентной смеси. Биомаркером также называют систему показателей старения организма, его органов и функций.