Лаборатория сверхбыстрой калориметрии (Постановление №220)
В ходе II Международной научной конференции "Наука будущего", состоялось заседание Совета по грантам президента РФ, где рассматривался вопрос о том, какие новые научные проекты получат финансирование по постановлению правительства РФ за №220. Победителем стала заявка ученых кафедры физической химии Химического института им. А.М.Бутлерова КФУ и профессора Ростокского университета Кристофа Шика (h=64). Грант №14.Y26.31.0019 был предоставлен на создание в институте лаборатории сверхбыстрой калориметрии и проведение в ней ряда исследований.
КФУ занял первое место в мире по количеству публикаций в области быстрой калориметрии в 2020 году | 04.02.2021
Кристоф Шик вошёл в число наиболее известных иностранных специалистов Республики Татарстан по версии Business Online | 10.01.2020
Руководителю лаборатории сверхбыстрой калориметрии Кристофу Шику присвоено звание Почётного доктора Казанского университета. | 15.11.19
Сотрудниками лаборатории был организован III международный семинар ISAC. | 18.10.2019
Цели и задачи проекта
Сверхбыстрая калориметрия является новым экспериментальным методом, который позволяет получать уникальную информацию о процессах в веществе в ходе быстрого нагрева и охлаждения. Целью проекта является развитие методов сверхбыстрой калориметрии для исследования теплофизических и термохимических свойств перспективных веществ и материалов с низкой термодинамической и кинетической стабильностью: полимеров и полимерных композитов, олиго- и полипептидов, белков, макроциклических рецепторов, лекарственных субстанций, ионных жидкостей и др. Задачей проекта является получение новой, практически важной информации о поведении веществ и материалов в ходе их получения, термической обработки и применения, включая характеристики следующих процессов:
- образования твердых дисперсий поливинилпирролидонов с гидрофобными лекарственными субстанциями;
- плавления без существенного разложения биомолекул (от небольших пептидов до белков), в том числе в зависимости от степени увлажнения и добавки органических растворителей;
- анфолдинга и рефолдинга макромолекул под действием температуры и органических денатурантов;
- твердофазных химических реакций в олигопептидах, приводящих к образованию циклических олигомеров;
- индуцированных нагревом и связыванием/удалением субстратов фазовых/полиморфных переходов в макроциклических рецепторах;
- парообразования (сублимации) низколетучих веществ, в том числе ионных жидкостей, биомолекул и др.
А также разработка нового метода определения энтальпии фазовых переходов (конденсированная фаза – газ и твердое тело – жидкость).
Ожидаемые результаты научного исследования
- Теплофизические параметры полимеров, композитных и биоматериалов в процессах нагрева и охлаждения со скоростями, релевантными технологиям получения, обработки и применения материалов, в том числе оптимальные условия для формирования дисперсий гидрофобных лекарственных препаратов, для создания на их основе новых форм доставки с улучшенными солюбилизационными характеристиками.
- Кинетическая информация в малом масштабе времени (миллисекундное разрешение) о процессах, включая химические реакции, протекающих в твердой фазе олигопептидов и материалов на их основе, необходимая для разработки методов получения новых органических наноматериалов с практически полезными свойствами.
- Термодинамические и теплофизические характеристики полиморфных и других фазовых переходов супрамолекулярных макроциклических рецепторов с повышенной селективностью отклика на связывание/удаление субстрата для перспективных сенсорных систем на пары и газы, использующих новые принципы детектирования.
- Кинетическая и теплофизическая информация о процессах, протекающих в белках в сухом, увлажненном и растворенном состоянии в ходе нагрева и охлаждения, для создания моделей, описывающих плавление, денатурацию и ренатурацию белков.
- Новый метод определения энтальпии фазовых переходов (конденсированная фаза – газ и твердое тело – жидкость). Уникальная термодинамическая информация о процессах испарения (сублимации) малолетучих соединений, включая ионные жидкости, большие и малые биомолекулы.
Проблемы, на решение которых направлен проект
Теплофизические и термохимические свойства материалов имеют огромное значение для их применения, а также для их производства и обработки. В этих процессах материалы могут подвергаться быстрому нагреву или охлаждению, в результате чего их состояние будет значительно отличаться от равновесного, также как и их последующие характеристики. Изучение закономерностей поведения материалов в таких условиях не только обогащает фундаментальное понимание физических и химических свойств веществ, но и дает основу для направленной разработки новых и усовершенствования существующих технологий получения и обработки полимеров, композитов и биоматериалов. Сверхбыстрая калориметрия продемонстрировала исключительные возможности в качестве ключевого метода для исследований, связанных с применением и обработкой материалов (в том числе полимеров), а также для получения новой информации о фундаментальных механизмах фазовых переходов. Применение сверхбыстрой калориметрии позволяет исследовать недоступные традиционным калориметрическим методикам процессы с малыми характеристическими временами в ходе быстрого нагрева и охлаждения. Вместе с тем, исследование материалов методом сверхбыстрой калориметрии сопряжено с проблемой пробоподготовки и анализа экспериментальных данных, в связи с чем, требуется разработка методик анализа, применимых к исследованию полимеров, композитных и биоматериалов.
Методы сверхбыстрой калориметрии будут применены для исследования различных видов материалов: дисперсий полимеров и лекарственных препаратов, олиго- и полипептидов, белков и др. Комбинация традиционных методик калориметрии и термоанализа с методами сверхбыстрой калориметрии расширит понимание теплофизических и термохимических свойств изучаемых веществ, а также позволит разработать перспективные способы получения практически важной информации о поведении материалов в ходе их получения, обработки и применения.
Выбор объектов исследования обуславливается большим фундаментальным и прикладным интересом к этим веществам и материалам на их основе.
Так, создание твердых дисперсий гидрофобных лекарственных препаратов на основе биосовместимых полимеров – в том числе поливинилпирролидонов имеет интерес с точки зрения повышения растворимости действующих веществ. Вместе с тем, одним из основных недостатков твердых дисперсий является их низкая временная стабильность, обусловленная способностью лекарственного препарата к кристаллизации. Такие процессы могут протекать как в течение нескольких секунд, так и нескольких лет. Несмотря на значительное число публикаций, в которых изучаются процессы инкапсуляции различными полимерами биологически активных соединений, вопрос о выборе оптимальных условий получения композита остается в значительной степени малоизученным, т.к. методология изучения быстрых процессов в настоящее время неразвита.
Основным методом исследования способности твердых дисперсий к кристаллизации является метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), позволяющий изучать относительно медленные процессы. Для быстрых процессов актуальным видится применение метода сверхбыстрой ДСК, который позволит детально изучить процессы, протекающие в композитах лекарственное вещество-полимер при их формировании, и подобрать оптимальные условия получения твердых дисперсий. При этом будет детально изучена кинетика нуклеации кристаллов. Таким образом, разработка методологии изучения процессов, протекающих в твердых дисперсиях гидрофобных лекарственных препаратов, открывает возможность создания биосовместимых лекарственных препаратов с повышенной эффективностью.
Короткоцепные олигопептиды в настоящее время являются объектами интенсивного изучения, благодаря своей способности к самоорганизации с образованием наноструктур, обладающих уникальными свойствами: высокая термическая стабильность, жесткость, превосходящая жесткость стали, устойчивость в средах с pH от 1 до 14 и т.д. Одним из распространённых методов формирования наноструктур на основе олигопептидов является термическая обработка порошка или аморфной пленки в различной атмосфере: вакуум, инертные газы, органические пары или пары воды. При этом следует отметить, что возможность протекания реакции между молекулами олигопептидов в твердой фазе при нагревании далеко не всегда учитывается. И вследствие этого не могут объяснить, например, причину образования других типов наноструктур или отсутствие у них пьезоэлектрических свойств. Для решения этой проблемы в настоящем проекте впервые будут применены методы сверхбыстрой и модулированной дифференциальной калориметрии для изучения твердофазных реакций в материале олигопептидов, что позволит, во-первых, определить условия протекания таких реакций и их кинетические параметры, во-вторых, получить новые циклические олигопептиды, на основе которых могут быть сформированы новые наноструктурированные материалы.
Макроциклические супрамолекулярные рецепторы являются перспективным классом веществ, способным к проявлению «умного» поведения в твердом виде. Это поведение заключается в способности к образованию метастабильных полиморфов, индуцированных нагревом или взаимодействием (связыванием/удалением) с субстратом (гостем). Этот процесс может быть чрезвычайно селективен, так, что образование такого полиморфа может иметь место лишь для одного гостя в гомологическом ряду и среди близких по размеру и групповому составу молекул. Из-за сложности систем этого вида, очень трудно прогнозировать их «умное» поведение, опираясь на данные о структуре образующих их молекул. Применение сверхбыстрой калориметрии позволит ускорить поиск новых рецепторов, для которых проявляется умное поведение, получить новую информацию о кинетике образования метастабильных структур, снизить требования к количеству исследуемых образцов до нанограммов.
Термические свойства белковых молекул характеризуются резким изменением структуры при повышении температуры выше некоторого критического значения – явлением термической денатурации. Термостабильности и денатурации белков в растворах под действием органических растворителей, смешивающихся с водой, в научной литературе уделено меньше внимания, чем денатурации под действием pH и ионной силы раствора. В то же время изучение устойчивости и активности ферментов в водно-органических смесях в зависимости от состава смеси и температуры имеет большое значение для развития биотехнологии. Помимо синтетических приложений, изучение стабильности белков в водно-органических средах актуально при разработке биосенсоров, биоселективный элемент которых должен обладать достаточной устойчивостью в рабочих средах, а также при использовании проникающих криопротекторов для длительного хранения живых объектов и биопрепаратов при низкой температуре. Разработка методов повышения стабильности белков в водно-органических средах требует детального изучения механизмов процесса денатурации и ренатурации, а также является исследования закономерностей, определяющих обратимость денатурации. Применение методов сверхбыстрой калориметрии позволит получить ранее недоступную информацию о кинетике и механизме процессов денатурации белков.
Многие перспективные, а также уже используемые материалы содержат в своем составе малолетучие органические компоненты, или целиком состоят из последних. Проблема определения термохимических параметров процесса испарения (сублимации) малолетучих веществ имеет огромное практическое значение, поскольку этот процесс в значительной степени определяет их токсичность и экологичность. За последние два столетия было получено огромное количество экспериментальных данных по энтальпиям парообразования (испарение и сублимация) различными прямыми (калориметрические) и непрямыми методами (температурные зависимости давления паров). Большинство из этих методов хорошо применимы к соединениям, которые являются легко летучими и достаточно термически стабильными. Для соединений, которые являются малолетучими применимы такие методы как метод Кнудсена, методы транспирации, термогравиметрии и кварцевых микровесов. Однако, качество полученных результатов не всегда удовлетворительно.
Кроме проблемы качества экспериментальных результатов, есть еще одна, не менее важная. Измерение энтальпий парообразования малолетучих соединений осуществляется при температурах далеких от 298.15К. Поэтому используют уравнение Кирхгофа для пересчета энтальпии парообразования, измеренной при температуре эксперимента к стандартной температуре – 298.15К. Для этого необходимо знать теплоемкости конденсированной и газовой фаз. Если теплоемкости конденсированной фазы можно измерить экспериментально, то значения теплоемкостей веществ в газовой фазе очень ограничены. Поэтому теплоемкости веществ в газовой фазе либо рассчитываются методами квантовой химии, либо создаются эмпирические схемы расчета разницы теплоемкостей конденсированной и газовой фаз. Это приводит к неопределенностям в значениях энтальпий парообразования и сублимации при 298.15К. Особенно существенные различия возникают при температурах измерения далеких от стандартной. Б.Н.Соломонов с сотр. предложили метод определения энтальпии парообразования веществ, не прибегая к их переводу в парообразное состояние, через энтальпию растворения. Последняя величина измеряется при температуре 298.15К. Это позволяет уйти от тех проблем, которые стоят перед классическими методами определения. Развитие этого нового перспективного метода определения фазовых переходов невозможно без измерения этих параметров для малолетучих соединений с помощью сверхбыстрой калориметрии. В особенности благодаря возможности измерений скорости испарения при низких температурах, близких к стандартной, за счет крайне малых размеров образца и высокого отношения поверхности к объему.
Описание исследования
В ходе выполнения проекта разрабатываются методики исследования материалов с низкой термодинамической и кинетической стабильностью (полимеры, композитные и биоматериалы) с использованием сверхбыстрой калориметрии.
Комбинацией традиционной и сверхбыстрой калориметрии изучены процессы образования твердых дисперсий поливинилпирролидонов с гидрофобными лекарственными препаратами (фенацетин, сульфаниламид).
Методом сверхбыстрой калориметрии будут измерены ранее недоступные термодинамические параметры биомолекул (от небольших пептидов до белков). Проводится анализ зависимости термодинамических свойств биомолекул от их увлажнения.
С помощью сверхбыстрой и модулированной дифференциальной сканирующей калориметрии проведен анализ процесса твердофазной циклизации олигопептидов.
Комбинацией сверхбыстрой и обычной калориметрии изучаются фазовые переходы супрамолекулярных макроциклических рецепторов (хозяев) с образованием метастабильных полиморфов, индуцированных нагревом и связыванием/удалением субстрата (гостя). Применение сверхбыстрой калориметрии позволит ускорить поиск новых метастабильных полиморфов, получить новую информацию о кинетике их образования, уменьшить требования к объему исследуемых образцов.
Сочетание сверхбыстрой калориметрии, дифференциальной сканирующей калориметрии и спектроскопических методов позволяет изучить кинетические характеристики процессов денатурации и ренатурации белков под действием температуры и органических денатурантов.
Разрабатываются новые методы определения энтальпий испарения (сублимации) малолетучих веществ на основе комбинации сверхбыстрой калориметрии и калориметрии растворения.
Описание научных подходов и методов, используемых для решения поставленных задач
Основаниями для попыток повысить скорости нагрева и охлаждения были, во-первых, потребность, возникшая во второй половине XX века, в фундаментальном исследовании поведения небольших систем в ходе нагрева и охлаждения, включая свойства полимерных систем, в которых, необходимо учитывать присутствие метастабильных кристаллитов, имеющих 1-3 измерения в нанометровом масштабе длин.
Во-вторых, желание исследовать влияние условий практических процессов, включающих обработку и последующую аморфизацию или полную либо частичную кристаллизацию полимеров, металлов и т.д. при высоких скоростях охлаждения. Из практики известно, что высокие скорости охлаждения, порядка 100-1000 К/сек, встречаются в таких процессах, как, например, выдувное литье, литье под давлением и других. Очевидно, что различные процессы покрывают диапазон скоростей от малых до больших, так что желание иметь доступ к более высоким скоростям сканирования, чем у обычных калориметров, вполне логично. Однако, такие высокие скорости сканирования недоступны для традиционных методов.
Удовлетворить эти потребности стало возможно только в последние 20 лет, с растущей доступностью технологии сенсоров на базе микроэлектромеханических систем (MEMS), ставшей основой для чип-калориметров, сделавших возможной быструю сканирующую калориметрию. Как результат, был достигнут очередной прорыв в отношении оптимального термического описания свойств материалов, за счет расширения доступных скоростей сканирования, как при охлаждении, так и при нагревании.
Скорости сканирования в быстрой калориметрии находятся в диапазоне от 1 до 1000 К/сек в случае охлаждения и от 1 до 10000 К/сек в случае нагрева. В настоящее время в различных университетах достигнуты еще большие скорости сканирования – до 1000000 К/сек и в ходе исполнения проекта такой калориметр будет установлен в Казанском (Приволжском) федеральном университете.
Последние успехи быстрой сканирующей калориметрии значительно способствуют ее применению, особенно в области понимания связи между кинетикой процессов и прогнозами, базирующимися на термодинамике малых, нано- и микроразмерных систем, встречающихся в полимерных материалах и биомолекулах.
Например, за счет выбора скорости нагрева таким образом, что она может конкурировать со скоростями реорганизации, плавления, химических реакций, испарения, денатурации, разложения и т.д., влияние этих процессов может быть подавлено либо детально исследовано.
Другой пример, это преимущество быстрой сканирующей калориметрии в отношении явлений кристаллизации и стеклования, за счет доступной высокой скорости охлаждения. Используя подходящую скорость охлаждения, у многих веществ можно превзойти характеристическую скорость стеклования, в результате чего образуется аморфный образец. Это исключительно важная возможность, так как она в принципе позволяет изучать любые последующие явления, такие как стеклование/расстекловывание, кристаллизация и плавление. Особое значение получила тема измерения скорости последующей нуклеации и кристаллизации как функции от температуры.
Кроме того, наименьшие времена, доступные быстрой сканирующей калориметрии оказываются близкими наибольшим временам доступным высокоэффективному динамическому Монте-Карло моделированию кристаллизации полимеров, что дает мощный инструмент для интерпретации и предсказания результатов калориметрических экспериментов в области кинетики, более успешный, чем аналитические подходы, использованные ранее.
В дополнение к вышеуказанному, быстрая сканирующая калориметрия имеет важнейшее значение в случаях, когда требуется наибольшая чувствительность для анализа образцов с очень малой массой, например, тонких пленок, фракций, полученных методами фракционирования, остатков в судебных расследованиях.
Развитие быстрой сканирующей калориметрии в ближайшем будущем будет следовать различными направлениями. Ожидается исследование других систем, таких как лекарственные препараты, пищевые продукты. Таким образом, подробное исследование температурного поведения и структурной/неструктурной морфологии систем при больших скоростях сканирования станет одной из тем ближайшего десятилетия.
Сверхбыстрая калориметрия будет комбинирована с традиционными методами калориметрии и термоанализа, а также спектроскопическими и структурными методами для максимально полного описания процессов и изменения свойств веществ в ходе термических переходов.
Экспериментальные методики будут комбинироваться с современными подходами компьютерного моделирования, обработки и представления информации.
