Спросить
Войти
Технічні науки
Scientific Journal «ScienceRise» №3/2(3)2014
Additives for concrete and mortar. General specifications (2008). National standard of Ukraine, appropriate EN 934-2:2001 “Admixtures for concrete, mortar and grout Part 2: Concrete admixtures - Definitions, requirements, conformity, marking and labelling”.
Concretes. Methods for determining the average density, moisture content, water absorption, porosity and water resistance (2008). National standard of Ukraine). Kiev.
Дата надходження рукопису 30.09.2014
Гоц Володимир Іванович, доктор технічних наук, профессор, Київський національний університет будівництва та архітектури , пр. Повітрофлотський, 31, м. Київ, Україна, 03680
Рунова Раїса Федорівна, доктор технічних наук, профессор, Науково дослідний інститут в’яжучих речовин і матеріаів , Київський національний університет будівництва та архітектури, пр. Повітрофлотський, 31, м. Київ, Україна, 03680
Руденко Ігор Ігорович, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Науково-дослідний інституту в’ яжучих речовин і матеріалів , Київський національний університет будівництва та архітектури, пр. Повітрофлотський 31, м. Київ, Україна, 03680
Ластівка Олесь Васильович, аспірант, кафедра Технологія будівельних конструкцій виробів і матеріалів Київський національний університет будівництва та архітектури, пр. Повітрофлотський 31, м. Київ, Україна, 03680
Говдун Ярослав Олександрович, Будівельно-технологічний факультет, Київський національний університет будівництва та архітектури, пр. Повітрофлотський 31, м. Київ, Україна, 03680
УДК 66.
DOI: 10.15587/2313-8416.2014.27623
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА В ОПТИМИЗАЦИИ СИНТЕЗА ВАНКОМИЦИН-СЕЛЕКТИВНЫХ "ИССКУСТВЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ"
© Е. Н. Музыка
Работа направлена на использование хемометрического подхода "планирование эксперимента", реализованного с помощью прикладного программного пакета MODDE 9.0, для оптимизации параметров синтеза ванкомицин-селективных наночастиц ("искусственных рецепторов" на базе молекулярно импринтированных полимеров) на автоматическом реакторе с целью получения их максимального количественного выхода.
The work is focused on the use of chemometric approach to "design of experiment", implemented using MODDE 9.0 software package to optimize the synthesis of the vancomycin-selective nanoparticles ("artificial receptor" based on molecularly imprinted polymers) in an automatic reactor in order to obtain its maximum quantitative yield.
Использование в современных сенсорах природных рецепторов, как правило, обеспечивает удовлетворительные аналитические характеристики, однако проблемой является их дороговизна и нестабильность [1]. Использование технологии, известной как молекулярный ипринтинг, способно решить или снизить остроту озвученных выше проблем. Молекулярно импринтированные полимеры (МИПы), или полимеры с молекулярными отпечатками, могут быть дешевой альтернативой природным рецепторам. Получаются «искусственные рецепторы» (на базе МИПов) в результате
молекулярного импринтинга - сополимеризации функционального и сшивающего мономеров в присутствии молекул-шаблонов или импринтмолекул. К настоящему времени для синтеза МИПов наиболее широко используется метод полимеризации в массе (bulk polymerization) [2]. К сожалению, полученные полимеры имеют много ограничений, в том числе высокий уровень неспецифического связывания и плохой доступности сайта для шаблона молекул и, следовательно, не используются в коммерческих анализах. Новые методы синтеза МИП в виде микро- и наночастиц обеспечивают лучший контроль качества сайтов связывания и морфологию полимера. Микро- и наноструктурные
импринтированные материалы обладают правильной формой, малыми размерами с очень высоким соотношением площади поверхности к объему. Кроме того, их сайты связывания можно расположить в непосредственной близости к
Технічні науки
Scientific Journal «ScienceRise» №3/2(3)2014
поверхности. Это значительно повышает
массоперенос и кинетику связывания. Эти факторы очень важны для облегчения связывания и улучшения чувствительности и быстродействия сенсоров на основе "искусственных рецепторов" [3]. Однако, существующие протоколы для синтеза МИП в виде нано- и микрочастиц, в основном, используют те же подходы, что и при полимеризации в массе, поэтому им присущи те же недостатки. Недавно в Кранфильдском университете был разработан метод твердофазного синтеза МИП-наночастиц с использованием молекулярного шаблона
многоразового использования [3]. Этот процесс позволил спроектировать первый опытный образец автоматического синтезатора, который подходит (в принципе) для промышленного производства МИП-наночастиц. Данный прибор предусматривает компьютерное управления процессом фотореакции, подачи смеси мономеров, временем реакции, промыванием и элюированием МИП-наночастиц.
Количество МИП-наночастиц, полученных на выходе, зависит от ряда технологических параметров. Поэтому для получения максимального выхода "искусственных рецепторов" необходимо провести оптимизацию условий эксперимента. Сложность оптимизации обуславливается взаимосвязанным характером факторов
(технологических параметров), влияющих на результат.
Поэтому, цель данной работы состоит в разработке протокола синтеза МИП-наночастиц на разработанном в Кранфилдском университете автоматическом синтезаторе с использованием хемометрического подхода - "планирование
эксперимента", который даст возможность при минимальном количестве проведенных опытов оптимизировать технологические параметры синтеза МИП-наночастиц для получения их максимального количества на выходе. 3
Как правило, оптимизацию проводят по принципу "одна переменная-по-времени" (ОППВ), что в англоязычной литературе имеет название ("one-variable-at-the-time"). Данный подход не может гарантировать достижение реального оптимума и действует только, когда переменные, которые будут оптимизированы, являются полностью
независимыми друг от друга [4]. Однако в последние десятилетия произошел резкий скачок в развитии компьютерной техники. Стали активно
разрабатываться методы обработки данных, основанные на различных математических аппаратах. Группа этих методов получила название «хемометрика». Сейчас хемометрика широко используется и в смежных областях науки: физике, биологии, медицине, везде, где есть необходимость в анализе большого количества данных и поиске различного рода закономерностей. Планирование эксперимента (англ. "Design of Experiments")
является одним из комплексов хемометрических мероприятий, направленных на эффективную постановку опытов, свободных от недостатков ОППВ
[4]. Основная цель планирования эксперимента -достижение максимальной точности измерений при минимальном количестве проведенных опытов и сохранении статистической достоверности результатов. Планирование эксперимента применяется при поиске оптимальных условий, построении интерполяционных формул, выборе значимых факторов, оценке и уточнении констант теоретических моделей и др. Примеры применения планирования эксперимента в контексте синтеза МИПов немногочисленны, и систематизированы в обзоре [5].
Экспериментальная установка для
автоматизированного синтеза МИП-наночастиц была разработана в Кранфильдском университете, и позволяет программно контролировать температуру колонки, доставку смеси мономеров и растворителей, а также время УФ-облучения. Установка включает в себя управляемый компьютером стеклянный УФ-реактор с внутренним нагревательным элементом; иммобилизированный в реакторе шаблон; насосы, подающие реакционную смесь и растворители, а также обеспечивающих их слив. Колонка расположена в светонепроницаемом ящике, оснащенном УФ-источником, который может быть активирован с помощью программного управления в течение заданного времени для инициирования полимеризации. Также используется многоходовой клапан для направления высокоафинных наночастиц в накопительную емкость или слива раствора в отходы. Общий протокол для автоматизированного синтеза и очистки МИП-наночастиц был разработан и описан ранее в [3, 6].
Схема эксперимента выполнялась при помощи программного обеспечения MODDE 9.0 (Umetrics) Для проведения эксперимента были выбраны следующие входные параметры: концентрация
функционального мономера (1-5 %), время облучения (2.5-4.5 мин), температура облучения и температура элюирования низкоафинных фракций (10-30 °С). С помощью программного обеспечения MODDE 9.0 было выбрано 19 комбинаций этих параметров (табл. 1). Выходным параметром была масса МИП-наночастиц (синтезированная с использованием ванкомицина), которая оценивалась по спектрам абсорбции, измеренных на длине волны 209 нм, что соответствует максимуму поглощения МИП-наночастиц. На основе данных, представленных в табл. 1, при помощи программного пакета MODDE 9.0 был получен график с коэффициентами, влияющими на отклик (рис. 1).
Как видно из рис. 1, значения специальных критериев (R2=0,868 и Q2=0,517) указывают на то,
Технічні науки
Scientific Journal «ScienceRise» №3/2(3)2014
что полученная модель качественна. R2 - мера того, насколько хорошо модель соответствует исходным данным, а Q2 - показатель предсказательной силы и воспроизводимости модели.
Графическое представление (полученного в MODDE.9) количественного выхода
МИП наночастиц после синтеза, как функции от времени полимеризации, концентрации мономера, температуры элюирования частиц низкой афинности, и температуры, при которой проходила
полимеризация, показано на рис. 2.
Scaled Centered Coefficients for yield~
=j -0,0 03
Рис. 1. Графическое представление коэффициентов модели
R2 = 0, 8 68 RSD= 0,1344
Q2=0,517 Conf. lev.=0,95
Таблица 1
Матрица, полученная в программе MODDE 9, для оптимизации количественного выхода _____________________________МИП-наночастиц___________________________________________
Exp No Exp Name Run Order Incl/ Excl Conc of mon. Irradiation time Temperature of irradiation Temperature of low affinity wash Yield
Технічні науки
Scientific Journal «ScienceRise» №3/2(3)2014
Рис. 2. Графическое представление количественного выхода МИП наночастиц (в а. е.) от входных
параметров
Из анализа рис. 2 можно сделать ряд
заключений:
а) максимальный выход анти-ванкомицин наноМИП равен 3.4 а. е., что соответствовало диапазону концентраций функционального мономера между 1.8-3.25 % (процентное содержание функционального мономера в полимеризационной смеси). В данной работе снижение концентрации мономера до минимально заданного значения (1 %), или увеличение до максимально заданного (5 %) не привело к значительному снижению массы полученных МИП-наночастиц (2 а. е.). Это может быть связано с тем, что соотношение функционального мономера к сшивающему мономеру влияет на жесткость полимерной матрицы, что отражается на степени ассоциации полимеризационной смеси с иммобилизованным шаблоном (ванкомицином) и, следовательно, влияет на количество МИП-наночастиц с низкой аффинностью, которые должны вымываться из реактора в течение первого элюирования. Таким образом, теоретически выход МИП-наночастиц с высокой аффинностью, т. е. частиц, полученных в ходе второго элюирования, будет уменьшаться с увеличением количества частиц низкой афинности и наоборот;
б) выход МИП-наночастиц зависит от времени УФ-полимеризации во всем диапазоне значений, исследованных в этой работе. Максимальный выход частиц (3.4 а. е.) наблюдали при времени УФ-поли-меризации, равном 2.5 мин. Дальнейшее увеличение времени облучения привело к значительному снижению выхода МИП-частиц. Разумно предположить, что длительное время полимеризации увеличивает диаметр частиц, которые менее эффективно связываются с иммобилизованным шаблоном из-за появления стерических препятствий. Таким образом, можно сделать вывод, что время полимеризации 2.5 мин является оптимальным для производства МИП-наночастиц с хорошими связывающими свойствами;
в) температура, равная 10 °С, была наиболее оптимальной для элюирования МИП-наночастиц
малой афинности (из рассмотренного набора значений температур).
Связывающие свойства (афинность)
синтезированных (при оптимальных условиях) ванкомициин-селективных МИП-наночастиц были проанализированы с помощью метода поверхностного плазмонного резонанса,
реализаванного на аппарате Biacore, который содержал микрочип с иммобилизованными молекулами шаблона (ванкомицина), как было описано в [3]. Константа диссоциации, рассчитанная для ванкомицин-селективных МИП-наночастиц, составила Kd=3,4*10-9 М. Этот результат дал возможность сделать вывод, что с помощью автоматического устройства твердофазного синтеза при оптимизированных параметрах можно производить высококачественные МИП-наночастицы "искусственные рецепторы", которые являются по своим свойствам близки к моноклональным антителам.
В данном исследовании подход "планирование эксперимента" (программное обеспечение
MODDE 9), был использован для оценки влияния концентрации функционального мономера в полимеризационной смеси; времени и температуры УФ-полимеризации; температуры элюирования фракций с низкой аффинностью на выход МИП-наночастиц селективных к ванкомицину, которые была синтезированы в автоматическом фотореакторе, разработанном в университете Кранфилд. Планирование эксперимента позволило значительно сократить количество опытов, необходимых для оптимизации параметров синтеза "искусственных рецепторов" на ванкомицин. Максимальный выход МИП-наночастиц
ванкомицина в автоматическом фотореакторе был достигнут при следующих параметрах: концентрация мономера 1.8-3.25 %, время облучения 2,5-2,6 мин и температура облучения и промывки низкоафинных фракций - 10 °С. Таким образом, выход
Технічні науки
Scientific Journal «ScienceRise» №3/2(3)2014
МИП-наночастиц "искусственных рецепторов", полученных в одном производственном цикле, выполненном при оптимизированных условиях, составлял 25 мг, при константе диссоциации равной Kd=3,4 х 10-9 М.
Дальнейшее развитие данной работы видеться в расширении спектра параметров оптимизации, например, тип растворителя, концентрация сшивающего мономера, а также в нахождении оптимальных соотношений функциональный мономер: сшивающий мономер и т. д.
Благодарности
Авторы выражают благодарность профессору Лестерского университета (Великобритания)
Пилецкому С. А. и его научной группе за предоставление возможностей синтеза
МИП-наночастиц на разработанном ими
автоматическом устройстве, и проведение
экспериментальных исследований афинности
синтезированных МИП-наночастиц, а также за
консультации в ходе выполнения работы.
Biomimetic Microchips [Text] / M. C. Moreno-Bondi, M. E. Benito-Pena, J. L. Urraca, G. Orellana // Top Curr. Chem. - 2012. - Vol. 325. - P. 111-164.
doi: 10.1007/128_2010_94
K. Muzyka // Biosensors and Bioelectronics. - 2014. -Vol. 54. - P. 393-407. doi: 10.1016/j.bios.2013.11.011
Imprinted Polymer Nanoparticles with a Reusable Template -“Plastic Antibodies” [Text] / A. Poma, A. Guerreiro, M. J. Whitcombe, E.V. Piletska, A.P.F. Turner and
S. A. Piletsky // Advanced Functional Materials. - 2013. -Vol. 23, Issue 22. - P.2821-2827.
doi: 10.1002/adfm.201202397
molecularly imprinted materials: theoretical and computational strategies for guiding nanoscale structured polymer development [Text] / I. A. Nicholls, H. S. Andersson,
K. Golker, H. Henschel, B. C. G. Karlsson, G. D. Olsson, S. Wikman // Analytical and Bioanalytical Chemistry . -2011. - Vol. 400, Issue 6. - P. 1771-1786.
doi: 10.1007/s00216-011-4935-1
K. Karim, A. Guerreiro, A. Poma and S. Piletsky // Nanoscale Research Letters. - 2014. - Vol. 9, Issue 1. - P. 154-161. doi: 10.1186/1556-276x-9-154
References
Development of the Electrochemiluminescent Immunosensors. Biosensors and Bioelectronics, 54, 393-407.
doi: 10.1016/j.bios.2013.11.011
Piletska E.V., Turner A.P.F. and Piletsky, S. A. (2013). Solid-Phase Synthesis of Molecularly Imprinted Polymer Nanoparticles with a Reusable Template - “Plastic Antibodies”. Advanced Functional Materials, 23 (22), 2821-2827.
doi: 10.1002/adfm.201202397
Henschel, H., Karlsson, B. C. G., Olsson, G. D., Wikman, S. (2011). Rational design of biomimetic molecularly imprinted materials: theoretical and computational strategies for guiding nanoscale structured polymer development. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 400 (6), 1771-1786.
doi: 10.1007/s00216-011-4935-1
Рекомендовано до публікації д-р техн. наук Аврунін О. Г.
Дата надходження рукопису 27.09.2014
Музика Катерина Миколаївна, кандидат технічних наук, с.н.с., кафедра біомедичної інженерії, Харківський національний університет радіоелектроніки, пр. Леніна 14, Харків, Україна, 61166 Е-mail: mkm@kture.kharkov.ua
УДК 004.932
DOI: 10.15587/2313-8416.2014.27536
ОБРОБЛЕННЯ ЗОБРАЖЕНЬ ПЛЯМ ЛАЗЕРНИХ ПУЧКІВ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНИХ МЕРЕЖ
© Л. І. Тимченко, С. В. Наконечна
Представлено основні етапи для класифікації та прогнозування координат енергетичних центрів зображень плям лазерного променя, що дає можливість розробити нову інтелектуальну технологію для їх класифікації та прогнозування положення координат їх енергетичних центрів. Проведено експерименти з порівняльної оцінки прогнозування на основі відомих нейронних мереж і запропонованого методу з використанням паралельно-ієрархічної мережі.
