Эффективная разработка методик анализа объектов окружающей среды на основе парофазной твердофазной микроэкстракции с использованием компьютерного моделирования

Проект Министерства образования и науки Республики Казахстан AP08052684

Mobirise Website Builder


Актуальность проекта:

Экологический мониторинг в Казахстане достаточно неэффективен из-за высокой стоимости анализа, что приводит к неэффективному управлению экологическими проблемами и принятию решений. Парофазная твердофазная микроэкстракция (ПФ ТФМЭ) является одним из наиболее экономически эффективных и перспективных методов отбора и подготовки проб для определения органических загрязнителей в объектах окружающей среды. Несмотря на многие преимущества, аттестованные методики анализа объектов окружающей среды на основе ПФ ТФМЭ недоступны для большинства комбинаций аналитов и типов образцов, в основном, из-за сложного и дорогостоящего процесса оптимизации многочисленных параметров ПФ ТФМЭ. Компьютерное моделирование, проведенное с использованием COMSOL Multiphysics, доказало свою эффективность для получения профилей экстракции аналитов при различных геометриях экстракции и константах распределения. Тем не менее, в настоящий момент отсутствуют модели для предсказания влияния многих важных параметров экстракции, а оптимизация все еще требует существенного объема экспериментальной работы.
Данный проект направлен на разработку компьютерной модели для быстрой оптимизации наиболее важных параметров ПФ ТФМЭ без существенной экспериментальной работы. Описанные в литературе модели для предсказания констант распределения органических соединений между различными экстракционными покрытиями и воздухом, воздухом и водными растворами будут оценены на пригодность и точность. Влияние температуры, давления, ионной силы и индекса полярности на константы распределения и коэффициенты диффузии будет изучено экспериментально, а результаты будут использованы для выбора наиболее точных теоретических моделей и для их улучшения. Проект может привести к прорыву в разработке экономически эффективных методик анализа на основе ПФ ТФМЭ для научных и других целей.

Цель проекта:

Повышение эффективности разработки методик анализа объектов окружающей среды на основе твердофазной микроэкстракции с использованием компьютерного моделирования. Компьютерная модель будет основана на имеющихся в настоящее время теоретической базе и зависимостях, полученных экспериментально в рамках данного проекта.

Задачи проекта

  1. Разработка теоретической базы для моделирования парофазной твердофазной микроэкстракции органических соединений из объектов окружающей среды.
  2. Разработка и применение компьютерной модели для симуляции парофазной твердофазной микроэкстракции органических соединений из объектов окружающей среды.
  3. Разработка рекомендаций и учебных материалов для потенциальных конечных пользователей разработанной вычислительной модели.

Участники проекта:​

Ожидаемые результаты:
Публикации:

  • две статьи в международных рецензируемых журналах из первых трех квартилей базы данных Web of Science;
  • две статьи в журналах, рекомендованных Министерством образования и науки Республики Казахстан.

Будет разработана компьютерная модель для эффективной оптимизации методик анализа объектов окружающей среды на основе парофазной твердофазной микроэкстракции. Разработанная модель будет применяться для более быстрой и дешевой разработки экономически эффективных методик анализа на основе ПФ-ТФМЭ, конкурирующих с традиционными методиками по пределам обнаружения, точности и прецизионности. Аналитические лаборатории смогут оптимизировать методики на основе ТФМЭ без привлечения сторонних разработчиков.
Экономически эффективные методики на основе ПФ-ТФМЭ, оптимизированные с использованием разработанной компьютерной модели, позволят снизить затраты на мониторинг окружающей среды и сделают его более эффективным для сбора больших объемов данных и более эффективного принятия решений, что улучшит здоровье населения, качество жизни и уменьшит финансовые потери от загрязнения окружающей среды, которые для Казахстана оцениваются примерно в один миллиард долларов США в год.
Проект может привести к прорыву в разработке экономически эффективных методик анализа и быстрому росту числа методик анализа, основанных на ПФ-ТФМЭ, которые используются в научных и других целях. Ожидается улучшение теории ТФМЭ. Разработанная вычислительная модель может быть адаптирована для использования с другими образцами матриц и аналитов.

Достигнутые результаты:

В рамках проекта разработаны новые компьютерные модели твердофазной микроэкстракции летучих органических соединений из воздуха, воды и почвы. Разработанные компьютерные модели позволяют быстро оптимизировать важные параметры твердофазной микроэкстракции и разрабатывать более чувствительные, точные и «зеленые» методики на ее основе без существенной экспериментальной работы. Они рекомендованы для оптимизации параметров твердофазной микроэкстракции при разработке методик анализа с целью снижения пределов обнаружения, сокращения времени анализа и повышения точности. Разработанные модели могут быть внедрены в исследовательских лабораториях, занимающихся разработкой новых методик анализа объектов окружающей среды - они позволят существенно снизить затраты на разработку новых методик анализа на основе твердофазной микроэкстракции. 

Потенциальным пользователям разработок:

Если Вы заинтересованы в использовании разрабатываемой модели, обращайтесь к руководителю проекта Кенесову Булату Нурлановичу по адресу bkenesov@cfhma.kz. Мы непрерывно ищем компании, готовые заняться коммерциализацией и внедрением разработок лаборатории.

Публикации по проекту:
Статьи в международных журналах:

  1. Bukenov B., Baimatova N, Kenessov B., 2022. Quantification of transformation products of rocket fuel unsymmetrical dimethylhydrazine in air using solid-phase microextraction, Journal of Separation Science 45, 614– 622 (IF=3.645, второй квартиль в разделе "Chemistry, Analytical")
  2. Kapar A., Muratuly A., Orazbayeva D., Bakaikina N.V., Bukenov B., Kenessov B., 2022. Modeling the effect of temperature on solid-phase microextraction of volatile organic compounds from air by polydimethylsiloxane coating using finite element analysis, Analytica Chimica Acta 1195, 339431 (IF=6.558, первый квартиль в разделе "Chemistry, Analytical") Заметка про статью
  3. Muratuly A., Kapar A., Kenessov B., 2022. Modeling headspace solid-phase microextraction of volatile organic compounds from water samples with porous coatings using finite element analysis, Advances in Sample Preparation 3, 100030. Заметка про статью
  4. Kenessov B., Kapar A., 2022. Optimization of headspace solid-phase microextraction of volatile organic compounds from dry soil samples by porous coatings using COMSOL Multiphysics. Chemical Bulletin of Kazakh National University 4, 4-12. (индексируется в Web of Science, рекомендован Комитетом по обеспечению качества в сфере науки и высшего образования Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан)

Препринты:

1. Kenessov B., Muratuly A., 2022. Evaluation of the vacuum effect on headspace solid-phase microextraction of volatile organic compounds from aqueous samples using finite element analysis modeling. Chemrxiv. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2022-v073h

Тезисы конференций (ФИО докладчика подчеркнуты)

  1. Kenessov B., Orazbayeva D., Bakaikina N.V., Kapar A., Muratuly A., Bukenov B. Modeling the effect of temperature on solid-phase microextraction of volatile organic compounds from air using finite element analysis. Abstracts of 1st European Sample Preparation e-Conference, 2021. O-11.​

Учебные материалы:

1. Modeling of solid-phase microextraction (SPME) of BTEX from air sample by PDMS coating. YouTube video
            
2. Modeling headspace solid-phase microextraction of benzene from water by porous coating in COMSOL. YouTube video
    
3. Modeling SPME with COMSOL Multiphysics: Interactive lecture.

4. Optimization of Solid-Phase Microextraction of Volatile Organic Compounds from Environmental Samples using COMSOL Multiphysics: Interactive lecture

Built with Mobirise ‌

HTML5 Creator