В кампусе Образовательного центра «Сириус» итоги работы презентовали участники ноябрьской программы, которая носила проектную направленность. Ребята под руководством наставников трудились в современных лабораториях и реализовывали проекты в разных областях химии: термохимии, органической и неорганической, аналитической, химии растворов и комплексных соединений, а также в междисциплинарных областях и других направлениях.
Рассказываем, какие проекты разрабатывали школьники на программе.
Синтез люминесцентных гибридных наноматериалов на основе соединений лантаноидов
Актуальность проекта: сегодня люминофоры используются в разных областях науки и техники. На проекте в «Сириусе» под руководством доктора химических наук, доцента кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения Института химии СПбГУ Андрея Мерещенко ребята работали по двум направлениям, посвященным люминофорам: разработка материалов для визуализации раковых опухолей и создание оптических сенсоров на токсичные тяжелые металлы и нитросоединения. Для этого школьники синтезировали два типа объектов. В первом случае – неорганические нанокристаллические люминофоры. Они являются перспективными материалами в качестве красителей для люминесцентной микроскопии и контрастными агентами для магнитно-резонансной томографии. Таким образом, люминофоры могут использоваться как индикаторы при диагностике рака. В организм онкобольного человека вводится раствор, который «подсвечивает» опухоль, в результате чего ее лучше видно на МРТ-снимке.
Вторая часть проекта была посвящена люминесцентным сенсорам. Это микрочастицы на основе металлорганических полимеров, которые светятся под ультрафиолетовым светом. Ученые выяснили, что некоторые вещества способны эту люминесценцию тушить. Среди таких соединений, например, ионы меди. Ее переизбыток в воде пагубно влияет на экологию и оказывает токсичное действие в случае попадания в организм человека. Зная, что медь уменьшает люминесценцию, можно, используя это свойство, создавать из наночастиц экспресс-тесты на ионы меди. Также интенсивность люминесценции падает при добавлении веществ, содержащих в своем составе нитрогруппу, которую содержат многие взрывчатые вещества. Это значит, что в перспективе можно разработать сенсоры для обеспечения безопасности.
«Эта программа позволила мне попробовать себя в роли настоящего исследователя. Ее особенность именно в проектной направленности. На проекте я изучала лантаноиды с различным составом. Мы их синтезировали, смотрели спектры их излучения, составляли графики. Далее занимались сенсорами. Это уже органические люминесцентные материалы. Мы изучали, как они светятся при контакте с ионами меди и нитробензолом. Сложно выделить какую-то часть проекта, которая понравилась больше. Очень здорово, что я смогла попробовать себя в разном, например, на проекте научилась работать с клетками. Такие программы позволяют лучше понять, чем хочется заниматься после школы. Для себя я точно решила, что пойду в область химии», – поделилась участница программы, школьница из Барнаула Виктория Бочарова.
Поиск растительных источников лекарственных препаратов
Актуальность проекта: в последние годы по всему миру получают распространение комплексные болезни: ожирение, диабет второго типа и сердечно-сосудистые заболевания. Для их профилактики медики рекомендуют включить в рацион больше продуктов, богатых биологически активными соединениями, такими как витамины, сердечные гликозиды, полифенолы, каротиноиды и пищевые волокна. Другим перспективным направлением является поиск природных источников для создания лекарственных препаратов на их основе. Для этих целей ученые рассматривают растения субтропических культур, например, фейхоа. Плоды этого растения обладают широким спектром биологических свойств: противораковой, противодиабетической, противомикробной, антиоксидантной и противовоспалительной активностью благодаря наличию ценных биологически активных веществ. На проекте под руководством кандидата химических наук, доцента кафедры органической химии Института химии СПбГУ Елены Бессоновой школьники изучали фотохимический состав селекционных сортов фейхоа, выращенных в Краснодарском крае, с целью поиска биологически активных молекул для создания лекарственных препаратов на их основе.
Объекты исследования – плоды селекционных сортов фейхоа – для эксперимента предоставил Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур Сочи. На проекте команда была разделена на группы, каждая из которых занималась своим направлением. На старте проекта ребятам предстояло изучить химический состав биологически активных веществ в кожуре и мякоти плодов фейхоа. Для решения этой задачи использовали современный физико-химический метод анализа – высокоэффективную тонкослойную хроматографию с видеоденситометрическим детектированием. Этот метод позволяет проводить качественный и количественный анализ сложных смесей. Участники под руководством наставника подбирали условия разделения веществ (полифенолы, аминокислоты и витамины) и определяли их содержание в плодах фейхоа. Растительные объекты – это сложная смесь веществ разной химической природы, поэтому ребята уделили большое внимание подготовке пробы к анализу – выделению и концентрированию биологически активных веществ в исследуемых объектах. В выбранных условиях получали хроматографические профили биологически активных веществ в пяти селекционных сортах фейхоа. Далее сравнивали количество и состав полезных веществ в образцах разных сортов и смотрели, какие вещества преобладают и какие сорта более богаты биологически активными веществами. Полученные результаты участники также сопоставляли с данными, полученными методом хромато-масс-спектрометрии (на базе лабораторного комплекса Университета «Сириус»).
«Я приехала на ноябрьскую химическую программу во второй раз. Мы вместе с моей напарницей Дарьей Бобровой выделяли полифенольные соединения из мякоти и кожуры плода фейхоа, анализировали показатели. Мы изучали образцы пяти разных сортов фейхоа. В таком эксперименте я участвовала впервые. В прошлом году моя работа была связана с другим методом работы – способом колоночной хроматографии. А с тонкослойной хроматографией я работала впервые, и было здорово этому научиться. На проекте мы изучали и лекарственные вещества, и это то, что соотносится с моей сферой интересов. Мне бы хотелось связать жизнь с медициной, не исключено, что с фундаментальным ее направлением», – говорит участница программы, школьница Алиса Мартюшова из Новосибирска.
Колориметрические тест-системы: от лакмусовой бумажки до анализа биологически активных молекул
Актуальность проекта: развиваясь, аналитическая химия движется в направлении экспресс-анализов. Речь идет о тест-полосках для глюкометров, экспресс-тестах на коронавирус и многих других исследованиях, где нужно получить быстрый и достоверный результат не только в больнице и поликлинике, но и дома. Поэтому актуальна разработка новых тест-систем, которые позволят определять еще большее количество компонентов как в биологических средах, так и в объектах окружающей среды. Школьники вместе с руководителем проекта, доцентом института химии Санкт-Петербургского государственного университета Марией Пешковой, изучали возможность применения тест-систем для полуколичественного определения различных аналитов (ионов, органических молекул) с использованием камеры смартфона и цифрового анализа цвета.
Во время теоретической части проекта участники изучили сами принципы создания тест-систем и их типы, поработали с коммерческими тест-системами, освоили технику количественной цветометрии.
На втором этапе ребята приступили к созданию собственных тест-систем на основе бумажных носителей. Ребята разработали полуколичественную цветовую шкалу для визуального определения того или иного аналита образца по цвету сенсора, наносили реагенты на бумагу, определяли цветометрии и содержание различных компонентов.
«Я был впервые в “Сириусе” и сразу приехал на проектную программу. Во время работы над проектом я готовил растворы, которые мы затем вместе с другими участниками команды анализировали и составляли графики. Я впервые занимался проектной деятельностью, познакомился с работой лабораторного оборудования, впервые работал с дозаторами и необычными веществами, вроде химических коктейлей. К тому же очень круто включиться в актуальный для современной медицины проект. Понимаешь, что действительно делаешь важное и нужное дело», – рассказал участник программы, школьник Константин Шмидт из Москвы.
Анализ пищевых продуктов
Актуальность проекта: здоровье напрямую зависит от качества воды и продуктов питания, которые потребляет человек. Содержание питательных веществ в одной и той же продукции, но произведенной в разных условиях, может значительно разниться. К тому же продукты питания в силу экологических и других причин могут содержать большое количество токсичных веществ. Поэтому контроль за качеством пищевых продуктов – одна из актуальных задач. На проекте участники проанализировали водопроводную воду из разных источников, а также молоко, сосиски и чай разных фирм, купленные в магазине одной из торговых сетей. Под руководством наставника проекта, старшего преподавателя кафедры аналитической химии СПбГУ Сергея Савинова, школьники определяли ряд аналитов в продуктах питания, применяя классические методы анализа: титрометрию, спектрофотометрию и потенциометрию. Школьники оценили кислотность и жесткость воды, влажность чая (по нормативу она не должна превышать 10%), а также его зольность и содержание марганца. Еще команда определяла содержание хлоридов и кальция в молоке и фосфатов в сосисках. Ребята сделали вывод, что более качественные марки чая содержат меньше марганца, а вода в «Сириусе» стабильна по кислотности и жесткости, что показали результаты мониторинга ее состава в течение всего проекта.
В целом команда определила, что содержание всех этих вышеназванных элементов в продуктах питания популярных марок находится в границах нормы.
«Наша команда анализировала разные пищевые продукты, чтобы понять, достаточно ли в них полезных элементов. Было интересно попрактиковаться в разных методах анализа, хотя я здесь не новичок. Я дважды участвовала в конкурсе WorldSkills, и там мы познакомились с этими методиками. Но знаний никогда не бывает много. К тому же на программе “Сириуса” я впервые поработала с лабораторными печами, научилась лучше титровать. Я думаю, это очень полезный проект, потому что каждый человек должен осознанно относиться к своему здоровью. И продукты питания – очень важная составляющая качества жизни», – поделилась участница проекта, школьница из Великого Новгорода Мария Васильева.
Над какими еще проектами работали на программе: изучали термохимию комплексных соединений и проектировали калориметр, анализировали методы и подходы в органическом синтезе, изучали возможности ядерного магнитного резонанса, выделяли ионы редкоземельных элементов из отработанных неодимовых магнитов. Также во время программы школьники трудились над созданием гидрогелей, занимались органическим синтезом и реализовывали другие проекты.
