Инженерный тур. 2 этап
На втором этапе участники смогут погрузиться в тематику задачи заключительного этапа: получение магнитных квантовых точек и изучение их физико-химических свойств. Им предстоит узнать принципы создания гидрофобной оболочки наночастиц и синтетические подходы к получению магнитных квантовых точек.
На примере задач планируется разобрать следующие аспекты решения комплексной инженерной задачи:
- Работа с научной литературой (научными статьями и базами данных).
- Приобретение навыков выполнения расчетов для синтетической части задачи.
- Рассмотрение методик синтеза магнитных наночастиц.
- Изучение способов получения квантовых точек.
- Знакомство с методиками получения магнитных квантовых точек.
- Работа с данными физико-химического анализа наночастиц.
Дополнительные образовательные материалы по теме заданий доступны по ссылке: https://disk.yandex.ru/d/sRx-GzGu6IBzkQ.
Командные задачи второго этапа инженерного тура открыты для решения. Соревнование доступно на платформе Яндекс.Контест: https://contest.yandex.ru/contest/69922/enter/.
Из перечисленных ниже утверждений выберите те, которые характерны для магнитных наночастиц:
- В отличие от крупных магнитных частиц, которые могут сохранять магнетизм, магнитные наночастицы часто демонстрируют суперпарамагнитные свойства. Это означает, что они не имеют остаточного магнетизма при отсутствии внешнего магнитного поля.
- Размер магнитных наночастиц обычно составляет от 500 до 1000 нм. Наночастицы имеют большой поверхностный объем по сравнению с их объемом, что влияет на физико-химические свойства.
- Форма наночастиц (сферическая, кубическая, цилиндрическая и т. д.) не влияет на их магнитные свойства и поведение в растворе.
- МНЧ могут быть функционализированы различными молекулами (например, биомолекулами или полимерами) для улучшения их биосовместимости и селективности.
- Некоторые магнитные наночастицы могут быть связаны с флуоресцентными молекулами или квантовыми точками, что позволяет использовать их в оптической визуализации и биомедицинских приложениях.
- Магнитные наночастицы могут эффективно поглощать магнитное поле и преобразовывать его в холод, что используется в некоторых областях медицины, таких как гипотермия для лечения рака.
A, B, D, E.
Опираясь на методику синтеза модифицированных магнитных наночастиц (дополнительные материалы), установите массу загрузки кристаллогидрата \(\ce{FeSO4*7H2O}\). Ответ приведите в миллиграммах с точностью до целых.
\(\ce{M (FeSO4*7H2O) = 278,01}\) г/моль.
Согласно методике, количество вещества сульфата железа (II) составляет 2 ммоль. В свою очередь, количество вещества кристаллогидрата также составит 2 ммоль. Тогда: \[\begin{aligned} \ce{m (FeSO4*7H2O) = n (FeSO4*7H2O) * M (FeSO4*7H2O)}=\\ {}= 2 \cdot 10^{-3} \cdot 278,01 = 556~\text{мг}. \end{aligned}\]
556 мг.
Опираясь на методику синтеза модифицированных магнитных наночастиц (дополнительные материалы), установите массу загрузки кристаллогидрата \(\ce{Fe(NO3)3*9H2O}\). Ответ приведите в миллиграммах с точностью до целых.
\(\ce{M (Fe(NO3)3*9H2O) = 404,00}\) г/моль.
Согласно методике, количество вещества нитрата железа (III) составляет 2 ммоль. В свою очередь количество вещества кристаллогидрата также составит 2 ммоль. Тогда: \[\begin{aligned} \ce{m (Fe(NO3)3*9H2O) = n (Fe(NO3)3*9H2O) * M (Fe(NO3)3*9H2O)} =\\ {}= 2 \cdot 10^{-3} \cdot 404,00 = 808~\text{мг}. \end{aligned}\]
808 мг.
Опираясь на методику синтеза модифицированных магнитных наночастиц, установите массу навески аминокислоты, которую использовали для модификации поверхности магнитных наночастиц, если известно, что при сгорании 2,04 г этой аминокислоты образуется 1,08 мл воды и 2688 мл газа (н. у.), при пропускании которого через известковую воду образуется 11 г осадка. Ответ приведите в граммах с точностью до сотых.
- \(\ce{M (H2O) = 18,00}\) г/моль,
- \(\ce{d (H2O) = 1}\) г/мл,
- \(\ce{M (\text{ос}) = 100}\) г/моль.
В ходе горения аминокислоты происходит образование воды и смеси углекислого газа с азотом. Установим количество углекислого газа: \[\ce{CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O};\] \[\ce{n (CO2) = n (CaCO3) = m (CaCO3)/M (CaCO3)} = 11/100 = 0{,}11 \text{ моль}.\] Тогда можно посчитать его объем: \[\ce{V (CO2) = n (CO2) * Vm} = 0{,}11 \cdot 22{,}4 = 2{,}464 \text{ л} = 2464 \text{ мл}.\] Следовательно, теперь можно установить объем и количество вещества азота: \[\ce{V (N2) = V - V (CO2)} = 2688 - 2464 = 224 \text{ мл} = 0{,}224 \text{ л};\] \[\ce{n (N2) = V (N2)/Vm} = 0{,}224/22{,}4 = 0{,}01 \text{ моль}.\] Затем определим количество вещества воды: \[\ce{n (H2O) = V (H2O) * d (H2O)/M(H2O)} = 1{,}08 \cdot 1/18 = 0{,}06 \text{ моль}.\] Тогда: \[\ce{n (C) = n (CO2)} = 0{,}11 \text{ моль};\] \[\ce{n (H) = 2 * n (H2O)} = 2 \cdot 0{,}06 = 0{,}12 \text{ моль};\] \[\ce{n (N) = 2 * n (N2)} = 2 \cdot 0{,}01 = 0{,}02 \text{ моль};\] \[\ce{n (C)} :\ce{ n (H)} : \ce{n (N)} = 11 : 12 : 2.\]
Такое соотношение характерно для триптофана (см. дополнительные материалы).
Теперь можно установить его массу, необходимую для модификации магнитных наночастиц: \[\ce{m (Trp) = n (Trp) * M (Trp)} = 8 \cdot 10^{-3} \cdot 204{,}23 = 1{,}63 \text{ г}.\]
1,63 г.
Ознакомьтесь с основами термогравиметрического анализа и экспериментальными данными (см. дополнительные материалы). Для проведения анализа использовали по 30 мг модифицированных и немодифицированных магнитных наночастиц. Установите массу аминокислоты, входящей в состав модифицированных магнитных наночастиц в исследуемом образце. Ответ дайте в миллиграммах с точностью до целых.
Для начала оценим, сколько неидентифицированных примесей (следы воды и других растворителей, оставшихся после синтеза исходных магнитных наночастиц) содержится в исходных наночастицах.
Согласно графику, при максимальном нагреве осталось 95%, то есть потеря составила 5%. Затем рассмотрим потери в массе у наночастиц, модифицированных аминокислотой. Масса остатка перестает меняться при 450 °C, а от исходной массы осталось 65%, учитывая, что внешние примеси 5%, то потери аминокислоты составляют 30%. Тогда рассчитаем массу аминокислоты: \[{m (\text{АК}) }= 0{,}3 \cdot 30 = 9 \text{ мг}.\]
9 мг.
Какие из следующих свойств квантовых точек являются ключевыми и связанными с их уникальными характеристиками?
- Флуоресценция.
- Квантовый эффект.
- Высокая химическая стабильность.
- Низкая теплопроводность.
- Широкий спектр возбуждения.
- Селективная токсичность.
- Изменение цвета в зависимости от размера.
- Способность к фотокатализу.
A, B, C, E, G.
Опираясь на методику синтеза квантовых точек (см. дополнительные материалы), установите массу загрузки борогидрида натрия, если известно, что исходная концентрация ионов кадмия в реакционной смеси составляет 2 ммоль/л. Ответ приведите в миллиграммах с точностью до целых.
\(\ce{M (NaBH4) = 37,83}\) г/моль.
Согласно методике, объем реакционной смеси составляет \(100 + 100\) мл (200 мл), тогда количество вещества хлорида кадмия составит: \[\ce{n(CdCl2) = C * V} = 2 \cdot 10^{-3} \cdot 0{,}2 = 0{,}0004 \text{ моль}.\]
Из методики известно, что борогидрида взяли в 10 раз больше: \[\ce{m (NaBH4) = 10 * n(CdCl2) * M (NaBH4)} = 10 \cdot 0{,}0004 \cdot 37{,}83 = 151 \text{ мг}.\]
151 мг.
Ознакомьтесь с данными о роли борогидрида натрия в синтезе квантовых точек на основе кадмия и влиянии размера частиц на их оптические свойства (см. дополнительные материалы). Опираясь на полученные в ходе эксперимента данные (см. дополнительные материалы), установите загрузку борогидрида натрия, необходимого для смещения максимума эмиссии такого же количества квантовых точек в более синюю область светового спектра.
\(\ce{M (NaBH4) = 37,83}\) г/моль.
Борогидрид натрия выступает в роли восстановителя ионов кадмия. Чем больше его количество, тем меньше будут получаться частицы, и, как следствие, максимум их эмиссии будет смещаться ближе к синей области светового спектра. Тогда из экспериментальных данных можно установить, что необходимый избыток борогидрида натрия — 15.
Теперь рассчитаем массу его загрузки. Используем данные из предыдущей задачи: \[\ce{m (NaBH4) = 15 * n(CdCl2) * M (NaBH4)} = 15 \cdot 0{,}0004 \cdot 37{,}83 = 227 \text{ мг}.\]
227 мг.
Ознакомьтесь с методикой определения размера частиц и экспериментальными данными (см. дополнительные материалы). Установите размер полученных квантовых точек. Ответ приведите в нанометрах с точностью до десятых.
Из графика в экспериментальных данных видно, что максимум поглощения приходится на 575 нм, тогда подставим это значение в формулу для вычисления: \[D = (9{,}8127 \cdot 10^{-7}) \cdot \lambda^3 - (1{,}7147 \cdot 10^{-3}) \cdot \lambda^2 + 1{,}0064 \cdot \lambda - 194{,}84 = 3{,}5 \text{ нм}.\]
3,5 нм.
Магнитные квантовые точки (МКТ) являются перспективными материалами для использования в области биомедицины и нанотехнологий. Рассмотрите следующие утверждения о магнитных квантовых точках и выберите правильные:
- МКТ обладают уникальными магнитными свойствами, которые могут быть использованы для управления их положением в биологических системах.
- Оптические свойства МКТ могут быть настроены путем изменения их размера, что приводит к изменению длины волны эмиссии и эффекта квантовой точности.
- МКТ могут быть синтезированы с использованием различных методов, включая гидротермальный синтез и метод термического разложения, что позволяет контролировать размер и морфологию частиц.
- Использование МКТ в медицине ограничено из-за их токсичности и низкой стабильности в физиологических условиях.
A, B, C.
Опираясь на методику синтеза магнитных квантовых точек (см. дополнительные материалы) и на расчеты, проведенные ранее, определите массовую долю меркаптопропионовой кислоты, в ее конъюгате с квантовыми точками \(\ce{CdTe}\). Ответ приведите в процентах с точностью до целых. Расчеты проводите с точностью до двух значащих цифр после запятой.
\(\ce{M (MPA)}\) = 106,14 г/моль.
Ранее нами было рассчитано, что содержание АК в МНЧ-АК составляет 9 мг, по схеме реакции видно, что при конъюгации взаимодействии MPA и АК происходит \(1:1\). Тогда рассчитаем количество вещества АК (в нашем случае это триптофан): \[\ce{n (Trp) = m (Trp)/M (Trp)} = 9 \cdot 10^{-3}/204{,}23 = 0{,000044} ~\text{моль}.\]
Тогда согласно стехиометрии: \[\ce{n (MPA) = n (Trp)} = 0{,000044}~\text{моль}.\]
Осталось рассчитать массу MPA на поверхности КТ, однако важно учесть, что ее молекулярная масса будет отличаться от молекулярной массы свободной кислоты ровно на массу одного протона: \[\ce{m (MPA) = n (MPA) * M(MPA)} = 0{,000044} \cdot 105{,}14 = 0{,}0046~\text{г} = 4{,}6~\text{мг},\] \[\omega =\ce{ m (MPA)/m(KT) * 100\%} = 4{,}6/20 \cdot 100\% = 23\%.\]
23%.
Ознакомьтесь с методикой синтеза магнитных квантовых точек и экспериментальными данными флуоресцентного метода анализа концентрации магнитных квантовых точек (см. дополнительные материалы). По предложенным данным постройте градуировочный график и установите выход реакции получения магнитных квантовых точек. Расчеты проводите с точностью до двух значащих цифр после запятой. Ответ приведите в процентах с точностью до целых.
\(\ce{M (H2O)}\) = 18 г/моль.
По экспериментальным данным можно построить график и получить линию тренда, которая характеризуется следующим уравнением \[y = 25{,}5 x+23{,}1.\] Зная величину флуоресценции исследуемого образца, можно установить его титр — 2,9 мг/мл.
Согласно методике, полученные наночастицы хранят в 15 мл воды, тогда рассчитаем их массу: \[\ce{m (MKT) = T (MKT) * V (MKT) }= 2{,}9 \cdot 15 = 43{,}50~\text{мг}.\]
Определим расчетную массу MKT. Для этого сначала определим массу выделившейся в ходе реакции воды: \[\begin{aligned} \ce{m (H2O) = n (H2O) *M (H2O) = n (\text{MPA}) *M (H2O)}=\\ {}= 0,000044\cdot 18 = 0,00079~\text{г} = 0,79~\text{мг}. \end{aligned}\]
Согласно закону сохранения масс: \[\ce{m (p) = m (KT)}+ m (\text{МНЧ}\text{-} \text{АК}) - \ce{m (H2O)} = 20 + 30 - 0{,}79 = 49{,}21~\text{г}.\]
Осталось рассчитать выход: \[\eta = \ce{m (MKT)/m (p)} \cdot 100\% = 43{,}50/49{,}21 \cdot 100\% = 88\%.\]
88%.
