Siedziba Instytutu Chemii Fizycznej PAN Źródło: IChF PAN

Nowatorskie czujnik, który w przyszłości pozwoli szybko i pewnie wykrywać produkty skażone melaminą, opracowali naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie.
Na razie urządzenie przetestowano w warunkach laboratoryjnych i zgłoszono do opatentowania.

"Zaprezentowana przez nas metoda wykrywania i oznaczania stężenia melaminy pozwala przeprowadzać pomiary z dokładnością, którą dotychczas mogliśmy uzyskać wyłącznie w laboratorium" - podkreślił prof. dr hab. Włodzimierz Kutner, Kierownik Laboratorium Specjalistycznego Warstw Molekularnych w Zakładzie Fizykochemii Kompleksów Supramolekularnych, w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.

Siedziba Instytutu Chemii Fizycznej PAN Źródło: IChF PAN

UWAGA:
Melaminy nie należy mylić z melaniną, barwnikiem odpowiedzialnym m.in. za kolor tęczówki oka.

Melamina to związek chemiczny stosowany w przemyśle do wytwarzania materiałów polimerowych, służących do produkcji klejów, blatów i naczyń kuchennych, nawozów sztucznych i barwników.
Bywa też nielegalnie używana dla zawyżania zawartości białek w produktach spożywczych.

Po przedostaniu się do organizmu człowieka melamina, w połączeniu z kwasem cyjanurowym - detergentem używanym do sterylizowania opakowań żywności - tworzy żółte złogi w kanalikach nerkowych, co prowadzi do poważnych problemów zdrowotnych.
W skrajnych przypadkach mogą się one zakończyć nawet śmiercią.

Siedziba Instytutu Chemii Fizycznej PAN Źródło: IChF PAN

Złą sławę melamina zdobyła po skandalu z chińskim mlekiem.
W drugiej połowie 2008 roku trafiła do produktów mlecznych produkowanych w Chinach, w tym do odżywek dla niemowląt.
Jak przypomina IChF PAN, skażone produkty wykryto później w sklepach na całym świecie, w tym w Niemczech i na Słowacji.
Problemy ze zdrowiem miało 300 tysięcy osób, hospitalizowano 50 tysięcy niemowląt, a kilka z nich zmarło.

Hol główny Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Źródło: IChF PAN

Dotychczas precyzyjne testy na obecność melaminy można było przeprowadzać wyłącznie w laboratoriach.

"W przemyśle spożywczym stosowano metody pośrednie, polegające na określaniu zawartości azotu w próbce badanego produktu spożywczego" - wyjaśnił prof. Włodzimierz Kutner.

Hol główny Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Źródło: IChF PAN

Profesor Kutner zaznaczył, że wybór azotu nie jest przypadkowy. Pierwiastek ten występuje głównie w cennych dla naszego organizmu białkach, a melamina zawiera go bardzo duże ilości.
Azot stanowi aż 2/3 masy melaminy.

Z tego powodu w Chinach powszechnie dodawano melaminę do rozcieńczonego wodą mleka.
Czujniki wskazywały obecność dużych ilości azotu w produktach, co sugerowało wysoką wartość odżywczą próbek.
Opracowany przez polskich naukowców detektor reaguje nie na azot, a bezpośrednio na melaminę.

Prof. dr hab. Włodzimierz Kutner w Zakładzie Fizykochemii Kompleksów Supramolekularnych. Mikroskop MultiMode firmy Veeco (Santa Barbara CA, USA) umożliwiający obrazowanie powierzchni próbki w trybie mikroskopii sił atomowych (AFM), skaningowej mikroskopii tunelowej (STM), mikroskopii sił magnetycznych (MFM), mikroskopii sił elektrycznych (EFM) i innych. Źródło: IChF PAN

"Gdy badany roztwór przepływa przez warstwę detekcyjną naszego chemoczujnika, tylko cząsteczki melaminy pasują do znajdujących się w niej luk molekularnych i tylko one mogą w nich ugrzęznąć" - opisuje profesor Kutner.

Kluczowym elementem chemoczujnika jest warstwa detekcyjna grubości kilkuset nanometrów. Warstwę tę wytwarza się metodą wdrukowywania molekularnego - rezultatem jest porowate, przestrzenne sito, w którego lukach mogą się zakotwiczyć tylko cząsteczki melaminy.

Warstwa detekcyjna jest osadzona na elektrodzie rezonatora kwarcowego.
Gdy cząsteczki melaminy wypełniają luki, wzrasta masa warstwy, co prowadzi do łatwych do zmierzenia zmian częstotliwości drgań rezonatora.
Po pomiarze cząsteczki melaminy można wypłukać, dzięki czemu czujnik nadaje się do ponownego użycia.

W ramach projektu "Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe" w laboratoriach Instytutu Chemii Fizycznej PAN opracowano prototyp selektywnego czujnika melaminy. Jego kluczowym elementem jest odpowiednio zaprojektowane sito molekularne. Źródło: IChF PAN, G. Krzyżewski

We współpracy z Instytutem Fizyki PAN naukowcy podjęli również badania, które mają doprowadzić do wyeliminowania wrażliwego na warunki pracy rezonatora kwarcowego. Jego rolę pełniłyby półprzewodnikowe struktury tranzystorowe.

Prace nad chemoczujnikiem melaminy są realizowane w ramach grantu obejmującego budowę nanostruktur kwantowych:
"Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie - Rozwój i komercjalizacja nowej generacji urządzeń diagnostyki molekularnej opartych o nowe polskie przyrządy półprzewodnikowe".

Pracownicy Zakładu II Fizykochemii Kompleksów Supramolekularnych. Stoją od lewej: Ievgen Obraztsov, Piotr Pięta, Agnieszka Pietrzyk, profesor Włodzimierz Kutner, dr Krzysztof Noworyta. Źródło: IChF PAN

Grant o wartości ponad 73 mln złotych, jest finansowany w 85 procentach z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, działającego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013, pozostałą część finansuje budżet państwa.

W badaniach uczestniczą:

• koordynator projektu - Instytut Fizyki PAN,

• Instytut Chemii Fizycznej PAN,

• Instytut Wysokich Ciśnień PAN,

• Instytut Biologii Doświadczalnej PAN,

• Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej,

• Instytut Technologii Elektronowej Uniwersytetu Warszawskiego,

• Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego.



Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk


Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów chemicznych PAN.

Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki chemicznej.
Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych.

Wejście do siedziby Instytutu Chemii Fizycznej PAN Źródło: IChF PAN

Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie
i farmacji.

Instytut publikuje około 300 oryginalnych prac badawczych rocznie.

Więcej informacji pod adresem

http://www.ichf.edu.pl



Zakład Fizykochemii Kompleksów Supramolekularnych


Tematyka badawcza Zakładu Fizykochemii Kompleksów Supramolekularnych koncentruje się na zagadnieniach współzależności struktury i selektywności tworzenia kompleksów w rozmaitych układach heteromolekularnych, w których jeden ze składników (gospodarz) wykazuje zdolność wybiórczego, odwracalnego wiązania molekularnych składników (gość), co z kolei może być wykorzystane w procesach dynamicznego rozdzielania (chromatografia, elektroforeza) oraz detekcji (sensory, elektrody selektywne itp.).

Przykładowa struktura organicznego zeolitu. Źródło: IChF PAN

Zakład dysponuje laboratoriami wyspecjalizowanymi w zakresie wyżej wspomnianych dziedzin fizykochemii: analizy strukturalnej metodami dyfraktometrycznymi, chromatografii cieczowej i gazowej, elektroforezy, elektrochemii sensorów i biosensorów, elektrod modyfikowanych chemicznie, a także laboratoriami z zakresu termodynamiki i termochemii.

Badania ukierunkowane są na problematykę rozpoznania molekularnego, co jest podstawą projektowania efektywnie działających układów zdolnych do rozdzielania mieszanin, aktywowania wybranych kierunków przemian chemicznych oraz molekularnego transportu.

Badane są zarówno układy o strukturze szkieletowej, zawierającej wewnętrzne luki o rozmiarach molekularnych (organiczne zeolity, cyklodekstryny, kaliksareny i ich pochodne) jak i układy powstające w wyniku samoorganizacji (hydraty, w tym zwłaszcza hydraty hydrofobowe, z dominującym wkładem oddziaływań niewalencyjnych).

Opracowywane metody rozdzielania mieszanin, oparte o wspomniane wyżej procesy rozpoznania molekularnego w kompleksach inkluzyjnych, są ważną specjalnością Zakładu.

Rozdzielanie enancjomerów to dziedzina, w którą zaangażowana jest znaczna część aktualnej tematyki badań, przy czym charakterystyczna jest możliwość rozdzielania, w drodze inkluzji, związków optycznie czynnych nie posiadających grup funkcyjnych, a więc szczególnie trudnych do rozdzieleń.

Analiza składu enancjomerycznego leków, ich metabolitów, naturalnych substancji smakowo-zapachowych lub ich syntetycznych odpowiedników, to przykładowe zastosowania opracowywanych metod analitycznych.

W procesach inkluzji molekularnej czynniki strukturalne odgrywają decydującą rolę, zatem większość badanych procesów musi być oparta o dogłębną znajomość struktury każdego ze składników i tworzonych kompleksów.

Przykładowa struktura hydrofobowego hydratu. Źródło: IChF PAN

Laboratorium dyfraktometryczne Zakładu jest jednostką wysoce wyspecjalizowaną w badaniach kompleksów supramolekularnych, dla których charakterystyczna jest wrażliwość na zmiany otoczenia, przez co większość badań wykonywana musi być in situ, w roztworach macierzystych.
Przykładami są organiczne zeolity i hydrofobowe hydraty (vide: ilustracje).

Badania efektów energetycznych w kompleksowaniu na poziomie supramolekularnym są specjalnością zespołów termochemicznych.
Poza wielkościami równowagowymi charakteryzującymi procesy sorpcji-desorpcji (entalpia, entropia), specjalnością zespołu jest termokinetyka tych procesów.

Co szczególnie istotne, informacje kinetyczne wyznaczane są w trakcie standardowych pomiarów kalorymetrycznych - dodatkowa obróbka efektów cieplnych mierzonych w czasie doświadczenia w oparciu o oryginalne procedury opracowane w zespole, pozwala na określenie parametrów kinetycznych procesu.

Skomputeryzowany zestaw typu BAM 601 firmy Nima Technology, Ltd. (Coventry, UK) do badań warstw Langmuira i Langmuira Blodgett. Źródło: IChF PAN

Rozwijane będzie nowe podejście do architektury molekularnej w dwuwymiarowych warstwach Langmuira i Langmuira-Blodgett: dwupunktowe "montowanie" warstw pochodnych metaloporfiryn za pomocą równoczesnego kompleksowania jonu metalu centralnego przez ligandy dwukleszczowe i kationów sodu przez peryferyjny eterokoronowy podstawnik makrocyklu porfiryny.

Zakład funkcjonuje w oparciu o szeroko zakrojoną współpracę międzynarodową, uczestniczy w pracach Centrum Doskonałości TALES (jest w nim koordynatorem i głównym realizatorem) oraz Centrum Doskonałości SURPHARE (jako wykonawca).

Zakład ma znakomicie rozwiniętą współpracę z zespołami badawczymi w Rosji, na Ukrainie, w Anglii, we Włoszech, we Francji i w Hiszpanii (w ramach wieloletnich programów wspólnych badań) oraz z wieloma laboratoriami na świecie, w tym: Japonia, Taiwan, Niemcy, Stany Zjednoczone.


Kontakty do naukowców:

Prof. dr hab. Włodzimierz Kutner
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
tel. + 48 22 3433217
email: wkutner@ichf.edu.pl


Strona Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

http://www.ichf.edu.pl/  


Strona projektu ”Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe” w Instytucie Fizyki PAN

http://info.ifpan.edu.pl/nanobiom/  


Serwis prasowy Instytutu Chemii Fizycznej PAN

http://www.ichf.edu.pl/press/  

http://www.ichf.edu.pl/press/2010/01/index.html