На первом этапе данного проекта была поставлена цель разработки высокоэффективного и экологически безопасного способа обращено-фазовой микроэкстракции фурановых производных из трансформаторного масла с использованием глубокого эвтектического растворителя (ГЭР). Фурановые производные являются важными маркерами износа изоляционных материалов трансформаторов, и их точное определение в масле позволяет оценивать степень износа и прогнозировать остаточный срок службы оборудования. Основные задачи исследования включали создание трехкомпонентного ГЭР, который обеспечивал бы эффективное извлечение фурановых производных при минимальном воздействии на окружающую среду; оптимизацию параметров экстракции для достижения максимальной степени извлечения из трансформаторного масла при использовании предложенного ГЭР; а также сравнение эффективности нового метода с традиционными методами экстракции, часто использующими токсичные органические растворители.
В качестве компонентов для ГЭР были выбраны хлорид холина, уксусная кислота и вода, что позволило создать экологически безопасный растворитель с высокой экстракционной способностью и низкой вязкостью. Экспериментальная оптимизация включала установление наилучших условий экстракции, таких как соотношение компонентов ГЭР, фазовое соотношение растворителя и образца, а также количество циклов экстракции. Полученные результаты показали, что при использовании данного ГЭР достигнута высокая степень извлечения фурановых производных (от 85% до 96%), причем основным фактором, определяющим эффективность экстракции, оказалось наличие уксусной кислоты, которая выполняла функцию донора водородных связей и повышала растворимость целевых соединений. При оптимальных условиях экстракции, включающих фазовое соотношение масла и ГЭР 1:10 и 11 циклов аспирации и инжекции с помощью шприца, были достигнуты следующие пределы обнаружения для основных фурановых производных: 5-гидроксиметилфурфурол — 3 мкг/л, фурфуриловый спирт — 4 мкг/л, и 2-ацетилфуран — 5 мкг/л. Эти значения свидетельствуют о высокой чувствительности и точности предложенного способа.
Конкретные экспериментальные результаты включают выявление оптимального состава ГЭР, состоящего из хлорида холина, уксусной кислоты и воды в соотношении 1:1:3, который обеспечивал максимальную степень извлечения целевых соединений. Было установлено, что фазовое соотношение масла и ГЭР 1:10 дает наилучшие результаты, обеспечивая стабильность дисперсии и максимальный контакт между фазами. Метод обращенно фазовой микроэкстракции проводился с 11 циклами аспирации и инжекции с помощью шприца, что способствовало образованию дисперсии экстракционного растворителя в масляной фазе и обеспечивало высокую эффективность извлечения, позволяя обойтись без дополнительных диспергирующих агентов, которые традиционно используются в жидкостной экстракции.
Проведенное сравнение с традиционными методами экстракции, использующими токсичные органические растворители, показало, что предложенный ГЭР значительно превосходит их по степени извлечения целевых соединений при более низком уровне воздействия на окружающую среду. Таким образом, предложенная методология трехкомпонентного ГЭР на основе хлорида холина, уксусной кислоты и воды обеспечивает высокоэффективную и чувствительную обращенно фазовую экстракцию фурановых производных из трансформаторного масла. Этот подход является экологически безопасным, позволяет достичь низких пределов обнаружения и обеспечивает высокую степень извлечения, что подтверждает его значимость для анализа маркеров старения изоляционных материалов в трансформаторах.
На втором этапе работы ставилась цель разработки нового способа одновременной дериватизации и микроэкстракции изониазида — важного противотуберкулезного препарата — из плазмы крови с использованием глубокого эвтектического растворителя. Изначально изониазид обладает высокой полярностью, что затрудняет его прямую экстракцию из биологических жидкостей традиционными методами, поэтому целью работы также было найти способ повышения гидрофобности изониазида через дериватизацию, что упростило бы его дальнейшую экстракцию. Основные задачи включали выбор состава ГЭР, который мог бы одновременно выполнять роль реагента для дериватизации и экстрагента для микроэкстракции; оптимизацию условий экстракции для достижения высокой селективности и чувствительности метода; и определение границ обнаружения изониазида при использовании предложенного способа.
Для реализации цели был предложен новый, еще не описанный в научной литературе природный ГЭР на основе тимола и 4-метоксибензальдегида. Тимол выступал в роли донора водородных связей, а 4-метоксибензальдегид — акцептора, который также выступал в качестве реагента для дериватизации аналита за счет образования основания Шиффа. Это позволило использовать ГЭР не только как растворитель, но и как реагент для дериватизации изониазида. При смешивании плазмы крови с ГЭР происходила реакция дериватизации изониазида с образованием гидрофобного основания Шиффа, что повышало гидрофобность изониазида и способствовало его переходу в ГЭР. Этот подход позволил избежать использования токсичных органических растворителей и дорогостоящих дериватизирующих агентов, часто применяемых в традиционных методах анализа.
Экспериментальные исследования показали, что оптимальными условиями для проведения реакции дериватизации и экстракции являются соотношение плазмы крови и ГЭР 1:10 и перемешивание в течение 5 минут. При таких условиях эффективность экстракции изониазида достигала 95%, что было подтверждено высокой воспроизводимостью метода с относительным стандартным отклонением (СКО) менее 10%. Также был установлен предел обнаружения способа, равный 20 мкг/л, и предел количественного определения — 60 мкг/л, что свидетельствует о высокой чувствительности предложенной методики.
Основные результаты включают следующие экспериментальные данные: в ходе оптимизации состава ГЭР было установлено, что тимол в сочетании с 4-метоксибензальдегидом образует эффективную среду для дериватизации и экстракции, а также является устойчивым к воздействию компонентов биологических жидкостей. Полученный ГЭР позволил эффективно извлекать изониазид без применения дополнительных реагентов или сложных методов подготовки образцов. Метод микроэкстракции, включающий перемешивание и короткое время контакта, обеспечил быстрое и полное выделение гидрофобного деривата изониазида из плазмы крови в фазу ГЭР.
Также исследование показало, что предложенный ГЭР обладает высокой устойчивостью, не требуя дополнительных стабилизаторов, что является важным преимуществом для анализа биологических образцов. В обзоре, который сопровождает экспериментальную часть, была систематизирована информация о существующих методах дериватизации и экстракции полярных соединений, подчеркивающая уникальность предложенного подхода в контексте фармацевтического анализа. В ходе сравнения было показано, что предложенный способ с ГЭР превосходит традиционные способы, использующие токсичные органические растворители, как по экологической безопасности, так и по экономичности.
Таким образом, разработанный способ на основе ГЭР с тимолом и 4-метоксибензальдегидом обеспечивает одновременную дериватизацию и высокоэффективную микроэкстракцию изониазида из плазмы крови. Метод отличается высокой селективностью, чувствительностью и экологической безопасностью, что делает его перспективным для использования в клинической практике и персонализированной медицине для контроля уровня изониазида в крови пациентов.
В следующем этапе исследования основная цель заключалась в разработке новой методики экстракции полисахаридов и других биологически активных веществ из травы овса молочной спелости, а также в сравнительном анализе эффективности различных методов экстракции, включая традиционные методы и методы с применением глубоких эвтектических растворителей. Овес является ценным источником биоактивных компонентов, таких как полисахариды, полифенолы, флавоноиды, алкалоиды, которые обладают антиоксидантной активностью и терапевтическим потенциалом. Поэтому исследования были направлены на оптимизацию методов извлечения этих веществ для дальнейшего использования в фармацевтике и пищевой промышленности.
В ходе работы был разработан новый способ экстракции с использованием ГЭР, состоящего из хлорида холина и этиленгликоля в соотношении 1:2. Данный ГЭР показал высокую эффективность в извлечении полисахаридов, флавоноидов, алкалоидов и полифенолов из травы овса молочной спелости. При использовании данного ГЭР экстракция проводилась при температуре 50–80°C в течение 10–60 минут. Оптимальными условиями для извлечения полисахаридов были температура 80°C и время экстракции 60 минут, что позволило добиться максимального извлечения целевых соединений.
Для оценки эффективности разработанного способа был проведен сравнительный анализ с традиционными методами экстракции, такими как водная экстракция (нагревание в горячей воде) и ультразвуковая экстракция. Результаты показали, что содержание полисахаридов при использовании ГЭР было на 75% выше, чем при экстракции горячей водой, и на 50% выше, чем при ультразвуковой экстракции. Например, при экстракции с использованием ГЭР было получено 620 мг/г полисахаридов, тогда как при экстракции горячей водой содержание полисахаридов составило лишь 156 мг/г. Также экстракты, полученные с помощью ГЭР, показали более высокое содержание полифенолов и значительно лучшую антиоксидантную активность.
Фитохимический скрининг водных экстрактов и экстрактов, полученных с использованием ГЭР, показал, что экстракты, полученные с помощью ГЭР, содержат 620 мг/г полисахаридов, 120,2 мг/г полифенолов, 2,33 мг/г флавоноидов, 21,83 мг/г танинов и 0,87 мг/г алкалоидов. Антиоксидантная активность этих экстрактов, измеренная методом DPPH, составила 35%. При этом экстракты, полученные с помощью ультразвуковой и водной экстракции, показали существенно меньшие значения антиоксидантной активности, что свидетельствует о значительном преимуществе ГЭР для сохранения биоактивных компонентов.
Таким образом, разработанный способа экстракции с использованием ГЭР на основе хлорида холина и этиленгликоля продемонстрировал высокую эффективность в извлечении полисахаридов и других биоактивных веществ из овса молочной спелости. Экстракты, полученные с использованием ГЭР, имеют более высокое содержание биологически активных веществ и антиоксидантную активность по сравнению с традиционными методами. Эти результаты подтверждают перспективность использования ГЭР для экстракции полисахаридов и других соединений в фитохимии и открывают возможности для их применения в фармацевтической и пищевой промышленности.
Так как ГЭР являются новым, еще мало изученным классом растворителей, то существует важная задача более детального исследования их физико-химических свойств, а также разработка новых методов математического моделирования их свойств, для предсказания новых систем. В рамках данного этапа работы основное внимание было уделено разработке и применению модели количественных связей структура–свойство (QSPR) для прогнозирования физических свойств глубоких эвтектических растворителей, состоящих из хлорида холина и различных органических кислот. Поскольку такие свойства, как плотность, вязкость и электропроводность ГЭР, играют ключевую роль в их применении для аналитических и технологических задач, создание надежной предсказательной модели позволяет существенно снизить объем экспериментальных исследований и целенаправленно разрабатывать новые составы ГЭР для специфических целей.
В ходе работы решались несколько основных задач. Во-первых, был проведен подбор подходящих органических кислот для создания ГЭР с хлоридом холина, что обеспечило необходимый диапазон значений физических свойств для тестирования модели. Во-вторых, для каждого состава ГЭР были проведены экспериментальные измерения плотности, вязкости и электропроводности при комнатной температуре. В-третьих, были выбраны молекулярные дескрипторы органических кислот, которые могли бы объяснить взаимосвязь между химической структурой кислот и физическими свойствами ГЭР. Наконец, была разработана и протестирована QSPR-модель, которая связала молекулярные дескрипторы с физико-химическими свойствами ГЭР, и проведена двойная кросс-валидация для оценки статистической значимости и надежности модели.
В качестве объектов исследования для создания ГЭР использовались уксусная, молочная, яблочная, гликолевая, лимонная и малоновая кислоты. Полученные экспериментальные данные показали, что состав ГЭР влияет на его физические свойства, и были определены значения плотности, вязкости и электропроводности для каждого из них. Например, для ГЭР на основе уксусной кислоты плотность составила 1.11 г/см³, вязкость — 80 мПа·с, а электропроводность — 3.5 мСм/см. Для ГЭР на основе молочной кислоты плотность составила 1.12 г/см³, вязкость — 95 мПа·с, а электропроводность — 4.1 мСм/см. На основании этих данных была построена регрессионная модель, которая связала молекулярные дескрипторы кислот (такие как молекулярная масса, электронные и топологические параметры) с физическими свойствами ГЭР. Построенная модель была проверена методом двойной кросс-валидации, что позволило подтвердить высокую степень соответствия предсказанных и экспериментальных значений. В частности, для плотности и вязкости точность предсказания составила около 90%, а для электропроводности — около 85%, что свидетельствует о высокой надежности модели.
Результаты моделирования показали, что такие дескрипторы, как молекулярная масса и поляризуемость кислот, оказывают значительное влияние на плотность и вязкость ГЭР. Например, для кислот с большей молекулярной массой (таких как лимонная кислота) наблюдалась более высокая вязкость и плотность ГЭР, что согласуется с экспериментальными данными. Электропроводность, в свою очередь, значительно зависела от донорно-акцепторных свойств кислот, определяемых их электронной структурой. Таким образом, модель QSPR позволила количественно оценить вклад различных структурных параметров в физические свойства ГЭР, что открывает возможности для целенаправленного выбора компонентов при разработке новых составов.
Обзорная часть публикации включает анализ существующих методов математического моделирования, применяемых для предсказания свойств ГЭР, и подчеркивает преимущества подхода QSPR по сравнению с другими методами, такими как молекулярная динамика и искусственные нейронные сети. QSPR-подход оказался менее требовательным к объему экспериментальных данных, что делает его особенно ценным при ограниченном количестве данных и позволяет существенно ускорить процесс разработки новых ГЭР для аналитических и технологических задач.
Таким образом, проведенное исследование продемонстрировало эффективность QSPR-модели для прогнозирования физических свойств ГЭР на основе хлорида холина и органических кислот. Разработанная модель позволила не только точно предсказать плотность, вязкость и электропроводность ГЭР, но и дала возможность оценить влияние различных структурных характеристик кислот на эти свойства, что делает её перспективной для разработки ГЭР с заданными характеристиками.
Кроме экспериментальных работы во время реализации данного проекта были также подготовлены две обзорные публикации. В двух обзорных статьях представлен обширный анализ применения глубоких эвтектических растворителей в различных областях химии и их потенциала как экологически безопасных и экономически эффективных альтернатив традиционным органическим растворителям, а также рассмотрены современные методы реализации твердофазной микроэкстракции для решения широко спектра аналитических задач.
Обе обзорные статьи подчеркивают как важность ГЭР как "зеленых" растворителей, которые могут заменить традиционные органические растворители и тем самым уменьшить экологическое воздействие производственных процессов, так и рассматриваю новые методы пробоподготовки.
