eng
Рассказывает заведующий кафедрой химии Самарского аэрокосмического университета им. академика С.П.Королева, д.т.н., профессор Игорь Артемьевич Платонов
В 2010 году кафедру химии Самарского аэрокосмического университета им. академика С.П.Королева (СГАУ) возглавил д.т.н., профессор Игорь Артемьевич Платонов. За это время коллектив кафедры достиг очень многого: был существенно обновлен и расширен парк аналитического оборудования – кафедра получила в свое распоряжение новейшие приборы, позволяющие проводить научные исследования на самом современном уровне. Открыто новое, перспективное направление подготовки специалистов "Наноинженерия". Созданы и успешно работают два межвузовских научно-образовательных центра и совместная с ВИАМ научно-исследовательская лаборатория коррозии, старения и биоповреждения материалов. Кафедра вместе с другими подразделениями вуза и научными организациями активно участвует в исследовательских проектах в области химии, материаловедения и аналитического приборостроения. В 2015 году сотрудниками кафедры был создан дистанционно управляемый газовый микрохроматограф, в целом не имеющий аналогов ни в России, ни за рубежом.
О результатах работы своей команды и планах на будущее мы попросили рассказать заведующего кафедрой химии СГАУ, д.т.н., профессора Игоря Артемьевича Платонова.
Игорь Артемьевич, в аэрокосмическом университете вы
заведуете кафедрой химии, основным научным направлением которой является хроматография и аналитическое приборостроение. Что связывает хроматографию и космос?
Очень многое, начиная с истории. Можно вспомнить, что развитие всей авиации и космонавтики началось с полета братьев Райт в 1903 году, и тогда же русский ученый Михаил Семенович Цвет открыл хроматографический метод разделения веществ и положил начало всем видам хроматографии в мире. Сегодня это один из основных аналитических инструментов, широко используемый для разделения сложных смесей веществ и установления их состава. Без него не обходится ни одна научная лаборатория, занимающаяся физическими, химическими, биологическими исследованиями, где хроматографические системы по праву заняли свое место наряду с другим сложным аналитическим оборудованием. В настоящее время они применяются и для рутинных измерений, например, параметров качества продукции или состояния экосистем, в том числе в полевых условиях. И не за горами тот день, когда эти устройства перейдут в разряд бытовых, используемых повсеместно, например, для контроля "экологии дома". В исследовательских модулях авиационных и космических аппаратов устанавливаются различные виды портативных хроматографов и газоанализаторов, чтобы изучать состав атмосферных и внеземных объектов. Так, например, начиная с 1982 года, Россия и США использовали такое оборудование в космосе и с его помощью впервые проанализировали состав атмосферы на планетах Венера и Марс.
Таким образом, хроматография является одним из методов, которые применяются в космических исследованиях. Но конкретно для нас, для кафедры химии СГАУ, данное направление представляет собой логическое продолжение работ по созданию новых устройств и материалов для нужд авиационной и космической техники. Чтобы это пояснить, потребуется небольшой экскурс в нашу историю.
Предшественником СГАУ был Куйбышевский авиационный институт (КуАИ), созданный в самое напряженное время Великой Отечественной войны – в 1942 году. Самара тогда рассматривалась как вторая, запасная, столица, и сюда было эвакуировано несколько десятков предприятий и организаций авиационной промышленности из Москвы, Санкт-Петербурга и, в особенности, Воронежа, чтобы наладить производство новых, самых современных самолетов. Таких, например, как легендарный штурмовик Ил-2. А перед КуАИ была поставлена задача не только готовить для этого соответствующих специалистов, но и обеспечить поддержку конструкторских работ. Естественно, что базовыми для этого были кафедры, где преподавались не только математические и физические дисциплины, но и химия, от которой ожидали создания новых и улучшения свойств существующих авиационных материалов.
Стоит отметить, что исследования на кафедре химии с самого момента ее основания были неотъемлемой частью решения общей задачи, стоявшей перед университетом, и проводились в очень тесном сотрудничестве с другими кафедрами. Коллектив кафедры отвечал за разработку новых эффективных химических и аналитических технологий, необходимых аэрокосмической промышленности. И этот принцип оставался неизменным, хотя менялась кафедра, менялись ее заведующие, менялись требования к результатам ее деятельности.
Сначала, при своем первом руководителе, академике АН БССР и лауреате Государственной премии СССР Б.В.Ерофееве, основной упор в разработках был сделан на создание для самолетостроения слоистого материала, прозрачной брони из органического стекла на основе метилметакрилата, и специальных видов остекления. Позже, уже после войны, кафедрой 45 лет заведовал профессор Н.Г.Човнык, мировой авторитет в области полярографии расплавленных солей на твердых электродах. В этот период центр исследований сместился на создание уникальных жаропрочных и устойчивых к коррозии покрытий, которые до сих пор используются в авиа- и ракетостроении.
Новое научное направление стартовало с приходом к руководству кафедры профессора Г.Д.Мальчикова. Он перепрофилировал созданную при Н.Г.Човныке научно-исследовательскую лабораторию полярографических методов исследований − основной тематикой ее работ стал целенаправленный синтез функциональных дисперсных систем благородных металлов (порошки, тонкие и островные пленки, аморфные покрытия). Отсюда вполне естественно произошел переход к направлению "Микроскопические материалы" и "Наноматериалы". Они актуальны и по сей день. Вот уже три года наша кафедра совместно с кафедрами "Наноинженерии" и "Технологий металлов и авиаматериаловедения" обучает студентов и готовит специалистов по профилю "Нанотехнологии и наноматериалы". Его образовательная программа органично объединяет в себе знания и умения из таких научных дисциплин, как дифракционная микрооптика и нанофотоника, синтез наноматериалов, микросистемная техника и наноизмерения, проводимые в том числе методами хроматографии.
Сейчас в нашем университете происходят кардинальные изменения. С 2013 года СГАУ участвует в Программе повышения конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров. Она направлена на укрепление позиций университета как одного из лидеров российского технического образования. В ее рамках СГАУ в 2015 году интегрировался с Самарским государственным университетом. Основными из прорывных направлений развития стали: авиа- и ракетостроение, двигателестроение, фотоника и фундаментальные исследования для перспективных технологий. Кафедра химии принимает полноценное участие в каждом из них, однако наиболее близкой для нее является тематика, связанная с принципиально новыми технологическими подходами в аналитическом приборостроении и нанотехнологиями.
Игорь Артемьевич, расскажите подробнее об этих перспективных технологиях.
В самом простом понимании нанотехнологии предполагают контроль и управление процессами на уровне, близком к молекулярному, создание материалов и устройств с размерами в пределах нанодиапазона и проведение измерений, выполняемых с наноточностью. Чтобы проводить аналитические работы, то есть измерения, на таком уровне, кафедра химии СГАУ оснащена достаточно хорошо. Это позволяет развивать направления исследований, связанные, в частности, с плазмохимическим травлением, с напылением, с магнитно-импульсной обработкой, со сваркой диффузионного и полудиффузионного характера. В распоряжении кафедры находятся несколько различных спектрометров − искровых и с индуктивно связанной плазмой, позволяющих определять содержание практически всех элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Есть силовые микроскопы, нанотвердомер, системы ВЭЖХ и капиллярного электрофореза, газохроматографические комплексы, в том числе с масс-спектрометрическими детекторами. Все перечисленные приборы в полном объеме используются для выполнения научных исследований как самой кафедры химии, так и проводимых ею совместно с другими кафедрами университета.
В качестве примера можно привести цикл работ по одной из перспективных технологий, реализуемой в НОЦ исследования антиоксидантных свойств и разработки инновационных продуктов питания. Речь идет об экстракции биологически активных веществ и веществ с антиоксидантной активностью из различных лекарственных растений с помощью растворителей в суб- и сверхкритическом состоянии. Достоинством данного подхода является также тот факт, что создаются химические технологии, отвечающие принципам "зеленой химии", предполагающие отказ от использования органических растворителей и экологически опасных веществ.
Другим перспективным направлением кафедры химии является создание новых катализаторов: для окисления, полного и селективного гидрирования непредельных и ароматических углеводородов и других процессов нефтехимии, органического и неорганического синтезов; для процессов очистки отходящих газов предприятий, энергетических установок, двигателей внутреннего сгорания от углеводородов, оксидов азота и углерода; для создания установок каталитического низкотемпературного горения и каталитических генераторов тепла. Однако чтобы защитить окружающую среду от химических загрязнений, недостаточно совершенствовать производственные процессы и технологии. Необходимо вести непрерывный экологический мониторинг на больших территориях и аккумулировать собранные данные для анализа ситуации и оперативного реагирования и предупреждения чрезвычайных ситуаций.
Одним из эффективных решений этой задачи может служить применение системы миниатюрных аналитических устройств, способных дистанционно и непрерывно осуществлять мониторинг и передавать полученные результаты. Подобное устройство разработано на нашей кафедре, оно представляет собой микрофлюидный газовый хроматограф. Свою разработку мы посвятили профессору М.С.Вигдергаузу, который является основателем научной школы хроматографии в Самаре и долгое время возглавлял кафедру общей химии и хроматографии в Самарском государственном университете.
Что представляет собой этот миниатюрный микрофлюидный хроматограф?
Это портативный, дистанционно управляемый газовый хроматограф в компактном корпусе 220 × 145 × 55 мм с массой 1,2 кг. Все основные узлы прибора: детектор, дозатор, хроматографические колонки − выполнены как отдельные микрофлюидные устройства. Прибор оснащен системой электронного управления и адаптером беспроводного канала передачи данных (Wi-Fi или Bluetooth) для подключения к внешнему компьютеру. Ничего похожего не существует ни в России, ни за рубежом.
Центральным элементом является плоская пластина с разветвленной системой каналов со сложным микрорельефом − внутри нее, собственно, и происходит разделение веществ, которые переносятся по капиллярам в ламинарном потоке подвижной фазы. В наших хроматографах для каждого типа веществ на плоскости формируется уникальная конфигурация моно- и поликаналов. Микроканалы можно формировать на пластинках из стекла, алюминия, на кремниевых подложках и т.п. Для каждого типа материалов используется широкий спектр технологий: 3D-печать, механическое фрезерование, электроэррозионная обработка, плазмохимическое и химическое травление, лазерная абляция. Такая микрокапиллярная колонка обладает высокой разделяющей способностью, зависящей от размеров, формы и структуры каналов. Эти параметры рассчитываются математически и подобраны таким образом, чтобы микрохроматографическая система по числу теоретических тарелок была сопоставима с хроматографической системой обычных размеров.
В качестве неподвижной фазы используются нанодисперсные сорбенты, среди которых диоксид кремния, новые полимерные сорбенты, термические графитированные сажи. Очевидно, что заполнить ими микрокапиллярные колонки очень не просто – разработка таких методов также является научным направлением кафедры химии.
Все узлы микрофлюидного хроматографа − системы ввода, пробоподготовки, концентрирования и детектирования разделяемых веществ − также имеют миниатюрные размеры. Все вместе это позволяет производить анализ за рекордное время – от нескольких минут до секунд. Так, например, продолжительность анализа при разделении смеси углеводородов С1–С5, включая изомеры, составляет не более 12 с, что в 30 раз меньше, чем при работе с обычно применяемыми для этих целей хроматографическими системами.
Отдельно стоит сказать о детекторах. При крайне малом размере от них требуется чувствительность, позволяющая работать с малыми концентрациями веществ. Мы разработали два типа таких устройств, каждое из которых занимает около 1 мм2 на поверхности кремниевой пластины. Первый − микрокатарометр, который позволяет детектировать содержание аналита на уровне нанограммов, что почти на порядок ниже, чем у его крупногабаритного аналога. Второй − термокаталитический, предел детектирования которого сопоставим с возможностями одного из самых чувствительных детекторов − пламенно-ионизационного.
Особенность нашего прибора в том, что он может выпускаться в различных конфигурациях, под конкретную аналитическую задачу. В целом такой подход оправдан. Как показывает практика, многозадачные хроматографы в подавляющем большинстве случаев применяются для реализации всего одной аналитической методики. Ведь перенастройка хроматографа, подбор условий разделения – это задача для исследовательских лабораторий, в то время как производство требует потоковых анализов. Поэтому в каждом нашем миниатюрном приборе заложен всего один, максимум два операционных алгоритма, что обуславливает и предельную простоту использования прибора. Им можно управлять по беспроводной сети с любого компьютера − вплоть до смартфона.
Отмечу, что созданию нашего первого микрофлюидного хроматографа предшествовал огромный труд, вобравший в себя 30 лет предварительных исследований, которые были проведены в разных университетах и научно-исследовательских институтах Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска и Самары. Создание микрофлюидного газового хроматографа стало возможно благодаря интеграции достижений хроматографии, микроэлектроники и наноинженерии и объединению научного потенциала специалистов пятнадцати кафедр СГАУ.
Планируется ли организация промышленного производства микрофлюидных хроматографов?
Мы к этому идем. Наши разработки доведены до логического завершения и позволяют производить газовые микрохроматографы, которые гораздо менее габаритны, нежели их обычные лабораторные аналоги. Потребность в таком приборе есть. Ведь он предназначен в основном для потоковых, рутинных измерений. А благодаря малым размерам позволяет проводить работы даже в полевых условиях. Мы сотрудничаем практически со всеми отраслями промышленности, где используется ГХ, включая геологоразведку, нефтехимическое производство, фармацевтику, криминалистику, медицину.
В каком направлении предполагается дальнейшее развитие исследований?
Сейчас мы работаем над
мультимодульной микрофлю-идной системой, решающей задачи комплексных и наиболее востребованных аналитических методик. Она способна заменить целую хроматографическую комнату со всеми ее разводками и коммуникациями. И такой аналитический модуль вполне сможет стать конкурентом привычному универсальному хроматографу в плане проведения рутинных измерений в очень короткие, до трех минут, интервалы времени.
Если говорить о решении более узких задач микрофлюидной хроматографии, то, конечно же, мы будем двигаться в направлении увеличения скорости анализа − от экспресс-методов к гиперскоростным, позволяющим производить измерения за секунды и даже быстрее. Для этого потребуется развитие моделей, описывающих сложную геометрию каналов, технологию герметизации пластин. В принципе уже сейчас стоит вопрос создания совсем микроприборов, которые можно будет использовать не только в химических и хроматографических лабораториях, но и для совершенно утилитарных целей. Например, как дополнение к мобильным телефонам с соответствующим программным приложением, позволяющим вести непрерывный анализ и мониторинг окружающей среды − дома, в офисных помещениях, в рабочей зоне, для контроля промышленных выбросов и состояния атмосферы на узловых развязках дороги. Мы открыты для новых идей и активно сотрудничаем с международными коллективами, российскими и зарубежными партнерами. Задумок и энергии у нас много.
Большое спасибо
за интересный рассказ.
С И.А.Платоновым беседовали
К.Гордеев, О.Шахнович
В 2010 году кафедру химии Самарского аэрокосмического университета им. академика С.П.Королева (СГАУ) возглавил д.т.н., профессор Игорь Артемьевич Платонов. За это время коллектив кафедры достиг очень многого: был существенно обновлен и расширен парк аналитического оборудования – кафедра получила в свое распоряжение новейшие приборы, позволяющие проводить научные исследования на самом современном уровне. Открыто новое, перспективное направление подготовки специалистов "Наноинженерия". Созданы и успешно работают два межвузовских научно-образовательных центра и совместная с ВИАМ научно-исследовательская лаборатория коррозии, старения и биоповреждения материалов. Кафедра вместе с другими подразделениями вуза и научными организациями активно участвует в исследовательских проектах в области химии, материаловедения и аналитического приборостроения. В 2015 году сотрудниками кафедры был создан дистанционно управляемый газовый микрохроматограф, в целом не имеющий аналогов ни в России, ни за рубежом.
О результатах работы своей команды и планах на будущее мы попросили рассказать заведующего кафедрой химии СГАУ, д.т.н., профессора Игоря Артемьевича Платонова.
Игорь Артемьевич, в аэрокосмическом университете вы
заведуете кафедрой химии, основным научным направлением которой является хроматография и аналитическое приборостроение. Что связывает хроматографию и космос?
Очень многое, начиная с истории. Можно вспомнить, что развитие всей авиации и космонавтики началось с полета братьев Райт в 1903 году, и тогда же русский ученый Михаил Семенович Цвет открыл хроматографический метод разделения веществ и положил начало всем видам хроматографии в мире. Сегодня это один из основных аналитических инструментов, широко используемый для разделения сложных смесей веществ и установления их состава. Без него не обходится ни одна научная лаборатория, занимающаяся физическими, химическими, биологическими исследованиями, где хроматографические системы по праву заняли свое место наряду с другим сложным аналитическим оборудованием. В настоящее время они применяются и для рутинных измерений, например, параметров качества продукции или состояния экосистем, в том числе в полевых условиях. И не за горами тот день, когда эти устройства перейдут в разряд бытовых, используемых повсеместно, например, для контроля "экологии дома". В исследовательских модулях авиационных и космических аппаратов устанавливаются различные виды портативных хроматографов и газоанализаторов, чтобы изучать состав атмосферных и внеземных объектов. Так, например, начиная с 1982 года, Россия и США использовали такое оборудование в космосе и с его помощью впервые проанализировали состав атмосферы на планетах Венера и Марс.
Таким образом, хроматография является одним из методов, которые применяются в космических исследованиях. Но конкретно для нас, для кафедры химии СГАУ, данное направление представляет собой логическое продолжение работ по созданию новых устройств и материалов для нужд авиационной и космической техники. Чтобы это пояснить, потребуется небольшой экскурс в нашу историю.
Предшественником СГАУ был Куйбышевский авиационный институт (КуАИ), созданный в самое напряженное время Великой Отечественной войны – в 1942 году. Самара тогда рассматривалась как вторая, запасная, столица, и сюда было эвакуировано несколько десятков предприятий и организаций авиационной промышленности из Москвы, Санкт-Петербурга и, в особенности, Воронежа, чтобы наладить производство новых, самых современных самолетов. Таких, например, как легендарный штурмовик Ил-2. А перед КуАИ была поставлена задача не только готовить для этого соответствующих специалистов, но и обеспечить поддержку конструкторских работ. Естественно, что базовыми для этого были кафедры, где преподавались не только математические и физические дисциплины, но и химия, от которой ожидали создания новых и улучшения свойств существующих авиационных материалов.
Стоит отметить, что исследования на кафедре химии с самого момента ее основания были неотъемлемой частью решения общей задачи, стоявшей перед университетом, и проводились в очень тесном сотрудничестве с другими кафедрами. Коллектив кафедры отвечал за разработку новых эффективных химических и аналитических технологий, необходимых аэрокосмической промышленности. И этот принцип оставался неизменным, хотя менялась кафедра, менялись ее заведующие, менялись требования к результатам ее деятельности.
Сначала, при своем первом руководителе, академике АН БССР и лауреате Государственной премии СССР Б.В.Ерофееве, основной упор в разработках был сделан на создание для самолетостроения слоистого материала, прозрачной брони из органического стекла на основе метилметакрилата, и специальных видов остекления. Позже, уже после войны, кафедрой 45 лет заведовал профессор Н.Г.Човнык, мировой авторитет в области полярографии расплавленных солей на твердых электродах. В этот период центр исследований сместился на создание уникальных жаропрочных и устойчивых к коррозии покрытий, которые до сих пор используются в авиа- и ракетостроении.
Новое научное направление стартовало с приходом к руководству кафедры профессора Г.Д.Мальчикова. Он перепрофилировал созданную при Н.Г.Човныке научно-исследовательскую лабораторию полярографических методов исследований − основной тематикой ее работ стал целенаправленный синтез функциональных дисперсных систем благородных металлов (порошки, тонкие и островные пленки, аморфные покрытия). Отсюда вполне естественно произошел переход к направлению "Микроскопические материалы" и "Наноматериалы". Они актуальны и по сей день. Вот уже три года наша кафедра совместно с кафедрами "Наноинженерии" и "Технологий металлов и авиаматериаловедения" обучает студентов и готовит специалистов по профилю "Нанотехнологии и наноматериалы". Его образовательная программа органично объединяет в себе знания и умения из таких научных дисциплин, как дифракционная микрооптика и нанофотоника, синтез наноматериалов, микросистемная техника и наноизмерения, проводимые в том числе методами хроматографии.
Сейчас в нашем университете происходят кардинальные изменения. С 2013 года СГАУ участвует в Программе повышения конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров. Она направлена на укрепление позиций университета как одного из лидеров российского технического образования. В ее рамках СГАУ в 2015 году интегрировался с Самарским государственным университетом. Основными из прорывных направлений развития стали: авиа- и ракетостроение, двигателестроение, фотоника и фундаментальные исследования для перспективных технологий. Кафедра химии принимает полноценное участие в каждом из них, однако наиболее близкой для нее является тематика, связанная с принципиально новыми технологическими подходами в аналитическом приборостроении и нанотехнологиями.
Игорь Артемьевич, расскажите подробнее об этих перспективных технологиях.
В самом простом понимании нанотехнологии предполагают контроль и управление процессами на уровне, близком к молекулярному, создание материалов и устройств с размерами в пределах нанодиапазона и проведение измерений, выполняемых с наноточностью. Чтобы проводить аналитические работы, то есть измерения, на таком уровне, кафедра химии СГАУ оснащена достаточно хорошо. Это позволяет развивать направления исследований, связанные, в частности, с плазмохимическим травлением, с напылением, с магнитно-импульсной обработкой, со сваркой диффузионного и полудиффузионного характера. В распоряжении кафедры находятся несколько различных спектрометров − искровых и с индуктивно связанной плазмой, позволяющих определять содержание практически всех элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Есть силовые микроскопы, нанотвердомер, системы ВЭЖХ и капиллярного электрофореза, газохроматографические комплексы, в том числе с масс-спектрометрическими детекторами. Все перечисленные приборы в полном объеме используются для выполнения научных исследований как самой кафедры химии, так и проводимых ею совместно с другими кафедрами университета.
В качестве примера можно привести цикл работ по одной из перспективных технологий, реализуемой в НОЦ исследования антиоксидантных свойств и разработки инновационных продуктов питания. Речь идет об экстракции биологически активных веществ и веществ с антиоксидантной активностью из различных лекарственных растений с помощью растворителей в суб- и сверхкритическом состоянии. Достоинством данного подхода является также тот факт, что создаются химические технологии, отвечающие принципам "зеленой химии", предполагающие отказ от использования органических растворителей и экологически опасных веществ.
Другим перспективным направлением кафедры химии является создание новых катализаторов: для окисления, полного и селективного гидрирования непредельных и ароматических углеводородов и других процессов нефтехимии, органического и неорганического синтезов; для процессов очистки отходящих газов предприятий, энергетических установок, двигателей внутреннего сгорания от углеводородов, оксидов азота и углерода; для создания установок каталитического низкотемпературного горения и каталитических генераторов тепла. Однако чтобы защитить окружающую среду от химических загрязнений, недостаточно совершенствовать производственные процессы и технологии. Необходимо вести непрерывный экологический мониторинг на больших территориях и аккумулировать собранные данные для анализа ситуации и оперативного реагирования и предупреждения чрезвычайных ситуаций.
Одним из эффективных решений этой задачи может служить применение системы миниатюрных аналитических устройств, способных дистанционно и непрерывно осуществлять мониторинг и передавать полученные результаты. Подобное устройство разработано на нашей кафедре, оно представляет собой микрофлюидный газовый хроматограф. Свою разработку мы посвятили профессору М.С.Вигдергаузу, который является основателем научной школы хроматографии в Самаре и долгое время возглавлял кафедру общей химии и хроматографии в Самарском государственном университете.
Что представляет собой этот миниатюрный микрофлюидный хроматограф?
Это портативный, дистанционно управляемый газовый хроматограф в компактном корпусе 220 × 145 × 55 мм с массой 1,2 кг. Все основные узлы прибора: детектор, дозатор, хроматографические колонки − выполнены как отдельные микрофлюидные устройства. Прибор оснащен системой электронного управления и адаптером беспроводного канала передачи данных (Wi-Fi или Bluetooth) для подключения к внешнему компьютеру. Ничего похожего не существует ни в России, ни за рубежом.
Центральным элементом является плоская пластина с разветвленной системой каналов со сложным микрорельефом − внутри нее, собственно, и происходит разделение веществ, которые переносятся по капиллярам в ламинарном потоке подвижной фазы. В наших хроматографах для каждого типа веществ на плоскости формируется уникальная конфигурация моно- и поликаналов. Микроканалы можно формировать на пластинках из стекла, алюминия, на кремниевых подложках и т.п. Для каждого типа материалов используется широкий спектр технологий: 3D-печать, механическое фрезерование, электроэррозионная обработка, плазмохимическое и химическое травление, лазерная абляция. Такая микрокапиллярная колонка обладает высокой разделяющей способностью, зависящей от размеров, формы и структуры каналов. Эти параметры рассчитываются математически и подобраны таким образом, чтобы микрохроматографическая система по числу теоретических тарелок была сопоставима с хроматографической системой обычных размеров.
В качестве неподвижной фазы используются нанодисперсные сорбенты, среди которых диоксид кремния, новые полимерные сорбенты, термические графитированные сажи. Очевидно, что заполнить ими микрокапиллярные колонки очень не просто – разработка таких методов также является научным направлением кафедры химии.
Все узлы микрофлюидного хроматографа − системы ввода, пробоподготовки, концентрирования и детектирования разделяемых веществ − также имеют миниатюрные размеры. Все вместе это позволяет производить анализ за рекордное время – от нескольких минут до секунд. Так, например, продолжительность анализа при разделении смеси углеводородов С1–С5, включая изомеры, составляет не более 12 с, что в 30 раз меньше, чем при работе с обычно применяемыми для этих целей хроматографическими системами.
Отдельно стоит сказать о детекторах. При крайне малом размере от них требуется чувствительность, позволяющая работать с малыми концентрациями веществ. Мы разработали два типа таких устройств, каждое из которых занимает около 1 мм2 на поверхности кремниевой пластины. Первый − микрокатарометр, который позволяет детектировать содержание аналита на уровне нанограммов, что почти на порядок ниже, чем у его крупногабаритного аналога. Второй − термокаталитический, предел детектирования которого сопоставим с возможностями одного из самых чувствительных детекторов − пламенно-ионизационного.
Особенность нашего прибора в том, что он может выпускаться в различных конфигурациях, под конкретную аналитическую задачу. В целом такой подход оправдан. Как показывает практика, многозадачные хроматографы в подавляющем большинстве случаев применяются для реализации всего одной аналитической методики. Ведь перенастройка хроматографа, подбор условий разделения – это задача для исследовательских лабораторий, в то время как производство требует потоковых анализов. Поэтому в каждом нашем миниатюрном приборе заложен всего один, максимум два операционных алгоритма, что обуславливает и предельную простоту использования прибора. Им можно управлять по беспроводной сети с любого компьютера − вплоть до смартфона.
Отмечу, что созданию нашего первого микрофлюидного хроматографа предшествовал огромный труд, вобравший в себя 30 лет предварительных исследований, которые были проведены в разных университетах и научно-исследовательских институтах Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска и Самары. Создание микрофлюидного газового хроматографа стало возможно благодаря интеграции достижений хроматографии, микроэлектроники и наноинженерии и объединению научного потенциала специалистов пятнадцати кафедр СГАУ.
Планируется ли организация промышленного производства микрофлюидных хроматографов?
Мы к этому идем. Наши разработки доведены до логического завершения и позволяют производить газовые микрохроматографы, которые гораздо менее габаритны, нежели их обычные лабораторные аналоги. Потребность в таком приборе есть. Ведь он предназначен в основном для потоковых, рутинных измерений. А благодаря малым размерам позволяет проводить работы даже в полевых условиях. Мы сотрудничаем практически со всеми отраслями промышленности, где используется ГХ, включая геологоразведку, нефтехимическое производство, фармацевтику, криминалистику, медицину.
В каком направлении предполагается дальнейшее развитие исследований?
Сейчас мы работаем над
мультимодульной микрофлю-идной системой, решающей задачи комплексных и наиболее востребованных аналитических методик. Она способна заменить целую хроматографическую комнату со всеми ее разводками и коммуникациями. И такой аналитический модуль вполне сможет стать конкурентом привычному универсальному хроматографу в плане проведения рутинных измерений в очень короткие, до трех минут, интервалы времени.
Если говорить о решении более узких задач микрофлюидной хроматографии, то, конечно же, мы будем двигаться в направлении увеличения скорости анализа − от экспресс-методов к гиперскоростным, позволяющим производить измерения за секунды и даже быстрее. Для этого потребуется развитие моделей, описывающих сложную геометрию каналов, технологию герметизации пластин. В принципе уже сейчас стоит вопрос создания совсем микроприборов, которые можно будет использовать не только в химических и хроматографических лабораториях, но и для совершенно утилитарных целей. Например, как дополнение к мобильным телефонам с соответствующим программным приложением, позволяющим вести непрерывный анализ и мониторинг окружающей среды − дома, в офисных помещениях, в рабочей зоне, для контроля промышленных выбросов и состояния атмосферы на узловых развязках дороги. Мы открыты для новых идей и активно сотрудничаем с международными коллективами, российскими и зарубежными партнерами. Задумок и энергии у нас много.
Большое спасибо
за интересный рассказ.
С И.А.Платоновым беседовали
К.Гордеев, О.Шахнович
Отзывы читателей
