Инженерный тур. 3 этап

Общая информация

Участникам предлагается создать прототип наночастиц, сочетающих в себе свойства магнитных наночастиц (МНЧ) и квантовых точек (КТ). Полученные в ходе работы результаты могут быть в дальнейшем использованы для получения самовизуализированных наночастиц, потенциально способных к направленной доставке лекарственных средств в необходимые ткани организма.

Легенда задачи

МНЧ имеют высокий потенциал в медицине как средства для диагностики, визуализации и терапии различных заболеваний. В настоящее время МНЧ проходят клинические испытания для лечения рака простаты, остеосаркомы и отека роговицы. Одним из способов применения МНЧ в указанных целях является метод магнитной гипертермии.

В свою очередь, КТ могут быть использованы для визуализации различных биологических структур и процессов, в частности, для флуоресцентной визуализации раковых структур.

Магнитные квантовые точки (МКТ) объединяют в себе все уникальные свойства исходных наночастиц и обладают большим потенциалом для применения в тераностике.

Требования к команде и компетенциям участников

Количество участников в команде: 2–3 человека.

Компетенции, которыми должны обладать члены команды:

Химик-синтетик. Важно соблюдать технику безопасности в лаборатории, читать и понимать инструкцию, решать расчетные химические задачи, уметь планировать эксперимент и время, которое на него нужно потратить. Полезно иметь базовые навыки работы в лаборатории.
Физик-исследователь. Должен осуществлять оценку качества продукта, составлять план доработки прототипа, уметь работать с приборами для физико-химических методов анализа и в целом иметь полную картину происходящего. Кроме того, опционально руководить процессом разработки, координировать продуктивную коммуникацию внутри команды.

Оборудование и программное обеспечение


Наименование	Описание
Магнитная мешалка с нагревом до 300 °C	Для проведения синтеза
Термометр электронный	Для контроля температуры
Технические карманные весы	Для взвешивания веществ
Набор автоматических пипеток номиналом 10–100 мкл или 20–200 мкл и 100–1000 мкл	Для отбора жидких веществ/растворов конкретного объема
Полуаналитические весы (до 3-го знака после запятой)	Для взвешивания веществ
Аналитические весы (до 4-го знака после запятой)	Для взвешивания веществ
Сушильный шкаф с нагревом до 150 °C	Для сушки посуды, сушки частиц
Ультразвуковая ванна	Для диспергирования частиц, проведения синтеза
Центрифуга (для пробирок до 2 мл)	Для осаждения крупных частиц
Центрифуга (для пробирок до 50 мл)	Для осаждения крупных частиц
Анализатор размера частиц	Для анализа размера частиц
Спектрофлуориметр	Для анализа флуоресцентных свойств КТ и МКТ
Ультрафиолетовая лампа	Для анализа флуоресцентных свойств КТ и МКТ
Магнит	Для осаждения МНЧ
Набор химической посуды для каждой команды	Магнитный мешальник (якорь) — 2 шт. Стеклянная палочка — 2 шт. Мерный цилиндр объемом 50 и 25 мл — по 1 шт. Градуированная пипетка 5 мл — 1 шт. Груша — 1 шт. Стакан 10 мл — 5 шт. Стакан 25 мл — 3 шт. Стакан 50 мл — 2 шт. Стакан 100 мл — 2 шт. Часовое стекло (двух разных диаметров) — 3 шт. Промывалка с дистиллированной водой — 1 шт. Пипетка Пастера пластиковая — неограниченно. Банка для хранения растворов/образцов: 30 мл — 5 шт, 50 мл — 5 шт. Пробирки типа Эппендорф 2 мл — неограниченно. Криопробирка 5 мл — 10 шт. Центрифужная пробирка 15 мл — 6 шт; Виала стекло 12 мл с завинчивающейся крышкой — 8 шт. Шпатель для взвешивания: металлический — 1 шт и пластиковый — 1 шт. Носики для автоматических пипеток (1000 мкл, 200 мкл) — неограниченно. Пластиковый пинцет — 1 шт. Чашка Петри — 1 набор. Воронка маленькая — 2 шт. Штатив для пробирок (10 гнезд) — 1 шт. Подставка для горячей посуды — 1 шт. Средства индивидуальной защиты. Фильтровальная бумага — неограниченно. Бумага для записей — неограниченно. Маркер для подписи посуды — 1 шт. Вата — неограниченно. Ножницы — 5 шт. на все команды. Парафилм (парафиновая лента для укупоривания тары). Бумажные полотенца/салфетки. Средства для мытья посуды. Индикаторная бумага.
Набор реактивов для каждой команды	Гептагидрат сульфата железа (II), \(\ce{FeSO4}\cdot \ce{7H2O}\) — 50 г. Гексагидрат хлорида железа (III), \(\ce{FeCl3}\cdot \ce{6H2O}\) — 50 г. Хлорид кадмия, \(\ce{CdCl2}\cdot 2{,}5\ce{H2O}\) — 1 г. Хлорид цинка, \(\ce{ZnCl2}\) — 1 г. \(\ce{NH3H2O}\) (25% масс.) — общее пользование. \(\ce{H2SO4}\) (30% масс.) — 100 мл. Изопропиловый спирт — 500 мл. Дистиллированная вода — неограниченно. Селен — 1 г. Ацетат кадмия (II), \(\ce{Cd(CH3COO)22H2O }\) — 1 г. Ацетат цинка (II), \(\ce{Zn(CH3COO)2*2H2O }\) — 1 г. Олеиновая кислота — 20 мл. Октадецен — 15 мл. Хлорид аммония, \(\ce{NH4Cl}\) — 0,5 г. Додецилсульфат натрия (SDS) — 1,5 г. 3-Аминопропилтриэтоксисилан (APTES) — 9 мл. Тетраэтоксисилан (TEOS) — 9 мл. L-Цистеин (Cys) — 1,5 г. Диметилформамид (ДМФА) — 15 мл. 1,3-Дициклогексилкарбодиимид (ДЦК) — 0,1 г. 4-Диметиламинопиридин (DMAP) — 0,1 г. Тиомочевина — 1 г. Ацетон (для мытья посуды) — общее пользование
Набор средств индивидуальной защиты	Халат. Защитные очки. Нитриловые перчатки

Описание задачи

Заключительный этап НТО 2025 года по профилю Наносистемы и наноинженерия посвящен разработке и синтезу наноразмерных конструкций для медицины.

МНЧ рассматриваются в качестве перспективных и удобных наноматериалов в медицине из-за их минимальной токсичности и превосходных физико-химических свойств, таких как суперпарамагнетизм, стабильность в водных растворах и биосовместимость.

КТ, благодаря ряду своих свойств, обусловленных их размером, применяются в качестве флуоресцентных меток для визуализации клеток и молекул.

Таким образом, предлагается создать прототип наночастиц, сочетающих в себе свойства МНЧ и КТ. Полученные в ходе работы результаты могут быть в дальнейшем использованы для получения самовизуализированных наночастиц, потенциально способных к направленной доставке лекарственных средств в необходимые ткани организма.

Описание задачи заключительного этапа включает:

одну базовую методику получения МНЧ,
три методики возможных модификаций поверхности МНЧ,
шесть методик получения КТ,
три методики конъюгации МНЧ и КТ между собой.

В течение всей работы участникам предстоит вести лабораторный журнал в офлайн-формате.

Основная схема решения комплексной инженерной задачи и этапы оценки



Этап	Синтез и модификация поверхности МНЧ	Синтез КТ	Получение МКТ
Особенности этапа и вариативность	1 метод получения и 3 метода модификации	6 методов получения	3 метода, 2 подхода к получению: физический и химический
Ключевые характеристики	Магнитные свойства	Флуоресцентные свойства	Магнитные свойства
Ключевые характеристики	Размер МНЧ	Флуоресцентные свойства	Флуоресцентные свойства
Подтверждение характеристик (как получить баллы)	Фиксация магнитных свойств экспертом	1. Подготовка образца. 2. Сдача образца на анализ. 3. Фиксация результатов экспертом	Фиксация магнитных свойств экспертом (коллоидный раствор).
Подтверждение характеристик (как получить баллы)	1. Подготовка образца. 2. Сдача образца на анализ. 3. Фиксация результатов экспертом.		1. Подготовка образца. 2. Сдача образца на анализ. 3. Фиксация результатов экспертом.
Максимальное количество баллов	15 баллов (5 баллов за методику)	60 баллов (10 баллов за методику)	40 баллов (5 баллов за методику)
Максимальное количество баллов	30 баллов (10 баллов за методику)	60 баллов (10 баллов за методику)	80 баллов (10 баллов за один конъюгат)
Сколько можно заработать	Учитывается один раз за одну методику	Учитывается один раз за одну методику	Учитывается один раз за одну методику
Сколько можно заработать	Учитывается наилучший результат, полученный по одной методике	Учитывается один раз за одну методику	Учитывается наилучший результат, полученный по одной методику

Синтез магнитных наночастиц

К смеси 1,3 г \(\ce{FeCl3*6H2O}\) и 1,1 г \(\ce{FeSO4*7H2O}\) добавили 2 мл 30% раствора \(\ce{H2SO4}\) и 40 мл дистиллированной воды, довели до температуры 50 °C и перемешивали в течение 5 мин. Затем ввели 25%-й раствор аммиака, довели раствор до pH 10. Далее прекратили перемешивание и осадили частицы магнитом. Полученные частицы промыли несколько раз дистиллированной водой.

Стабилизация МНЧ

Получение модифицированных МНЧ

Метод 1. Тетраэтоксисилан (TEOS) [1]

2 г магнитных наночастиц диспергировали в 3 мл воды, pH дисперсии доводили до значения 11 добавлением 25%-го раствора гидроксида аммония, затем добавили 125 мкл раствора TEOS в 3 мл изопропилового спирта. Смесь перемешивали в течение 18 ч до полного гидролиза TEOS и присоединения к поверхности оксида железа. Полученные наночастицы промывали шесть раз водой методом магнитной сепарации/декантации и сушили при 50 °C в течение ночи.

Метод 2. (3-Аминопропил)триэтоксисилан (APTES) [2]

Магнитные наночастицы массой 0,7 г растворяли в 25 мл растворе изопропилового спирта с водой (объемное соотношение \(1:1\)) и обрабатывали ультразвуком до получения однородной дисперсии. Добавили 2,8 мл APTES и обрабатывали ультразвуком 10 мин. Далее реакционную массу перемешивали в течение 2 ч при 40 °C. Полученные частицы осаждали магнитом, пять раз промывали изопропиловым спиртом и водой (объемное соотношение \(1:1\)) и сушили при 50 °C в течение ночи.

Метод 3. L-Цистеин [2]

0,4 г \(\ce{FeCl3*6H2O}\) и 0,2 г \(\ce{FeSO4*7H2O}\) растворяли в 10 мл дистиллированной воды и интенсивно перемешивали при 70 °C. Через 30 мин быстро добавили раствор 0,5 г L-цистеина в 2 мл дистиллированной воды. Еще через 30 мин быстро добавили 1,7 мл \(\ce{NH4OH}\) (25% масс.) и перемешивали в течение 1,5 ч. Полученные наночастицы магнетита подвергали магнитной сепарации, трижды промывали дистиллированной водой и сушили при температуре 50 °C в течение ночи.

Синтез квантовых точек

Метод 1. Селенид кадмия [3, 4]

К 10 мг порошка селена добавляли 250 мкл олеиновой кислоты и 700 мкл октадецена и обрабатывали 5 мин ультразвуком (суспензия 1). Затем к 10 мг \(\ce{(CH3COO)2Cd}\) добавляли 350 мкл олеиновой кислоты и 2 мл октадецена и выдерживали при 230 °C до появления светло-желтого окрашивания (раствор 2). Сохраняя нагрев, к раствору 2 приливали суспензию 1 и перемешивали до появления красного цвета. Полученный раствор переливали при перемешивании к 10 мл изопропилового спирта, диспергировали и центрифугировали при 8000 об./мин 5 мин. Раствор с неосажденными наночастицами декантировали с помощью пипетки Пастера или пипет-дозатора и использовали далее.

Метод 2. Селенид цинка [3,4]

К 10 мг порошка селена добавляли 250 мкл олеиновой кислоты и 700 мкл октадецена и обрабатывали 5 мин ультразвуком (суспензия 1). Затем к 10 мг \(\ce{(CH3COO)2Zn}\) добавляли 350 мкл олеиновой кислоты и 2 мл октадецена и выдерживали при 230 °C 5 мин (раствор 2). Сохраняя нагрев, к раствору 2 приливали суспензию 1 и перемешивали до появления желтого цвета. Полученный раствор переливали при перемешивании к 10 мл изопропилового спирта, диспергировали и центрифугировали при 8000 об./мин 5 мин. Раствор с неосажденными наночастицами декантировали с помощью пипетки Пастера или пипет-дозатора и использовали далее.

Метод 3. Сульфид кадмия [5]

10 мг \(\ce{CdCl2}\) и 8 мг \(\ce{NH4Cl}\) растворяли 2 мл дистиллированной воды и перемешивали 10 мин (раствор 1). 10 мг тиомочевины растворяли в 1 мл дистиллированной воды (раствор 2). Раствор 1 и 2 объединяли, добавляли к ним раствор 120 мг SDS в 2 мл дистиллированной воды и перемешивали 10 мин при 70 °C. Затем полученный раствор при перемешивании приливали к 10 мл изопропилового спирта, диспергировали и центрифугировали при 8000 об./мин 5 мин. Раствор с неосажденными наночастицами декантировали с помощью пипетки Пастера или пипет-дозатора и использовали далее.

Метод 4. Сульфид цинка [5]

10 мг \(\ce{ZnCl2}\) и 12 мг \(\ce{NH4Cl}\) растворяли 2 мл дистиллированной воды и перемешивали 10 мин (раствор 1). 10 мг тиомочевины растворяли в 1 мл дистиллированной воды (раствор 2). Раствор 1 и 2 объединяли, добавляли к ним раствор 120 мг SDS в 2 мл дистиллированной воды и перемешивали 10 мин при 70 °C. Затем полученный раствор при перемешивании приливали к 10 мл изопропилового спирта, диспергировали и центрифугировали при 8000 об./мин 5 мин. Раствор с неосажденными наночастицами декантировали с помощью пипетки Пастера или пипет-дозатора и использовали далее.

Метод 5. Сульфид кадмия и L-цистеин

10 мг \(\ce{CdCl2}\) и 8 мг \(\ce{NH4Cl}\) растворяли в 1 мл дистиллированной воды и перемешивали 10 мин (раствор 1). 10 мг тиомочевины растворяли в 1 мл дистиллированной воды (раствор 2). Раствор 1 и 2 объединяли, добавляли к ним 8 мг L-цистеина, раствор 120 мг SDS в 2 мл дистиллированной воды и перемешивали 10 мин при 70 °C. Затем полученный раствор при перемешивании приливали к 10 мл изопропилового спирта, диспергировали и центрифугировали при 8000 об./мин 1–2 мин. Раствор с неосажденными наночастицами декантировали с помощью пипетки Пастера или пипет-дозатора и использовали далее.

Метод 6. Сульфид цинка и L-цистеин

10 мг \(\ce{ZnCl2}\) и 12 мг \(\ce{NH4Cl}\) растворяли 1 мл дистиллированной воды и перемешивали 10 мин (раствор 1). 10 мг тиомочевины растворяли в 1 мл дистиллированной воды (раствор 2). Раствор 1 и 2 объединяли, добавляли к ним 10 мг L-цистеина, раствор 120 мг SDS в 1 мл дистиллированной воды и перемешивали 10 мин при 70 °C. Затем полученный раствор при перемешивании приливали к 10 мл изопропилового спирта, диспергировали и центрифугировали при 8000 об./мин 1–2 мин. Раствор с неосажденными наночастицами декантировали с помощью пипетки Пастера или пипет-дозатора и использовали далее.

Получение магнитных квантовых точек

Метод 1 [6]

К 30 мг модифицированных магнитных наночастиц добавили 100 мкл TEOS и 5 мл раствора квантовых точек в изопропиловом спирте и перемешивали 4 ч. Полученные конъюгаты удерживали магнитом и многократно промывали изопропиловым спиртом, который после промывания декантировали. После промывания магнитные квантовые точки разбавляли 5 мл изопропилового спирта.

Метод 2

5 мл раствора квантовых точек в изопропиловом спирте упаривали от растворителя на плитке, а затем добавили 2 мл ДМФА, 50 мг N,N-дициклогексилкарбодиимида, 5 мг 4-диметиламинопиридина и перемешивали 10 мин. После добавили 30 мг модифицированных магнитных наночастиц и перемешивали 10 ч. После полученный раствор переливали к 5 мл изопропилового спирта. Полученные конъюгаты удерживали магнитом и многократно промывали изопропиловым спиртом, который после промывания декантировали. После промывания магнитные квантовые точки разбавляли 5 мл изопропилового спирта.

Метод 3

К 30 мг модифицированных магнитных наночастиц добавили 2 мл ДМФА, 9 мг N,N-дициклогексилкарбодиимида и 3 мг 4-диметиламинопиридина. 5 мл раствора квантовых точек в изопропиловом спирте упаривали от растворителя на плитке, а затем добавили 2 мл ДМФА и перелили к магнитным наночастицам и перемешивали 10 ч. После полученный раствор переливали к 5 мл изопропилового спирта. Полученные конъюгаты удерживали магнитом и многократно промывали изопропиловым спиртом, который после промывания декантировали. После промывания магнитные квантовые точки разбавляли 5 мл изопропилового спирта.

Подготовка образцов для анализа

Приготовление образцов для определения размеров модифицированных МНЧ

Необходимо приготовить 1 мл раствора, содержащего 0,1 ммоль стабилизированных МНЧ. Расчет концентрации проводить в пересчете на \(\ce{Fe3O4}\). После добавления воды образцы необходимо в течение 20 мин обработать УЗ.

Растворы модифицированных МНЧ, полученные по методу № 1 (TEOS), готовить в изопропиловом спирте.

Растворы модифицированных МНЧ, полученные по методам №№ 2 и 3 (с APTES и цистеином), готовить в воде.

Все образцы должны быть профильтрованы через бумажный фильтр.

Приготовление образцов КТ для флуориметрического анализа

Для проведения анализа необходимо предоставить эксперту 5 мл раствора квантовых точек в изопропиловом спирте.

Приготовление образцов МКТ для оценки магнитных свойств и флуориметрического анализа

Полученный раствор МКТ диспергируют действием ультразвука в течении 10 мин. Затем необходимо отобрать 250 мкл образца и растворить в 4 мл изопропилового спирта.

Мытье посуды

Вся очистка посуды проводится в перчатках и халате, так как с рук магнетит смывается за три дня, а с одежды — никогда.

Посуда после немодифицированных магнитных наночастиц отмывается смачиванием водой и удалением частиц бумажными салфетками. Посуда после модифицированных МНЧ удаляется аналогично, смачивая посуду изопропиловым спиртом или ацетоном.

Посуду после флуоресцирующих соединений можно отмыть ацетоном или изопропиловым спиртом.

Все водные растворы с МНЧ сливаются в водный слив.

Все органические растворы (со спиртом, ацетоном и ДМФА) сливаются в органический слив.

Потери

После окончания рабочего дня команда должна навести порядок на своем рабочем месте, все образцы, расходные материалы, реактивы и индивидуальное оборудование должны оказаться в своих рабочих зонах. Исключением являются общие мешалки и сушильные шкафы, в которых могут остаться только подписанные образцы.

Все образцы, расходные материалы и реактивы, находящиеся по окончании рабочего дня за пределами рабочей зоны, будут безвозвратно ликвидированы.

Система оценивания

Оценка получения модифицированных МНЧ.

Магнитные наночастицы должны обладать магнитными свойствами. Оценка свойств проводится магнитом.
Оценка размеров модифицированных МНЧ.

Оценка размера модифицированных МНЧ проводится методом динамического светорассеяния подготовленных образцов (см. методики ниже) на лазерном анализаторе размеров частиц DelsaNano. Анализ образцов проводит оператор. Участники команды получают результаты анализа в трех повторах и проводят расчеты среднего размера частиц. Допустимая погрешность в расчетах 5%, в случае неверного расчета размеров частиц — снижение на 10 баллов.

Наиболее оптимальные размеры модифицированных МНЧ — 200–300 нм.

В таблице 1.1 представлена шкала баллов в зависимости от полученных размеров частиц (промежуточные значения рассчитываются интерполяцией).

Размер МНЧ 2 нм 50 нм 100 нм 200–300 нм 500 нм 700 нм 900 нм

Баллы 0 2 5 10 5 2 0

Размер МНЧ	2 нм	50 нм	100 нм	200–300 нм	500 нм	700 нм	900 нм
Баллы	0	2	5	10	5	2	0

Оценка флуоресцентных свойств КТ.

Оценка флуоресцентных свойств КТ проводится методом спектрофлуориметрии подготовленных образцов (см. методики ниже) на анализаторе жидкости «Флюорат-02-Панорама». Анализ образцов проводит оператор. Участники команды получают значения максимума интенсивности флуоресценции образцов. Наибольший балл можно получить за точное попадание в максимум флуоресценции.

Оператор может отказать участникам в анализе образцов, если они плохо приготовлены (суспензии нестабильны, много крупных частиц, цвет образца отличается от эталонного — много непрореагировавшего флуоресцирующего вещества).

В таблице 1.2 представлены шкалы баллов люминесценции КТ (промежуточные значения рассчитываются интерполяцией).


КТ	Максимум люминесценции, нм
СdSe (методика 1)	\(<260\)	\(310\)–\(340\)	\(390\)–\(420\)	\(470\)–\(500\)	\(550\)–\(580\)	\(630\)–\(660\)	\(>710\)
ZnSe (методика 2)	\(<110\)	\(160\)–\(190\)	\(240\)–\(270\)	\(320\)–\(350\)	\(400\)–\(430\)	\(480\)–\(510\)	\(>560\)
СdS (методика 3)	\(<120\)	\(170\)–\(200\)	\(250\)–\(280\)	\(330\)–\(360\)	\(410\)–\(440\)	\(490\)–\(520\)	\(>570\)
ZnS (методика 4)	\(<110\)	\(160\)–\(190\)	\(240\)–\(270\)	\(320\)–\(350\)	\(400\)–\(430\)	\(480\)–\(510\)	\(>560\)
СdS-Cys (методика 5)	\(<120\)	\(170\)–\(200\)	\(250\)–\(280\)	\(330\)–\(360\)	\(410\)–\(440\)	\(490\)–\(520\)	\(>570\)
ZnS-Cys (методика 6)	\(<100\)	\(150\)–\(180\)	\(230\)–\(260\)	\(310\)–\(340\)	\(390\)–\(420\)	\(470\)–\(500\)	\(>550\)
Баллы	0	2	5	10	5	2	0

Оценка магнитных свойств МКТ.

МКТ должны обладать магнитными свойствами. Оценка свойств проводится магнитом при действии на коллоидный раствор. Исследование проводит оператор. Баллы засчитываются только при положительном исследовании флуоресцентных свойств.
Оценка флуоресцентных свойств МКТ.

Оценка флуоресцентных свойств КТ проводится методом спектрофлуориметрии подготовленных образцов (см. методики ниже) на анализаторе жидкости «Флюорат-02-Панорама». Анализ образцов проводит оператор. Участники команды получают значения максимума интенсивности флуоресценции образцов. Наибольший балл можно получить за точное попадание в максимум флуоресценции.

Оператор может отказать участникам в анализе образцов, если они плохо приготовлены (суспензии нестабильны, много крупных частиц, цвет образца отличается от эталонного — много непрореагировавшего флуоресцирующего вещества).

Таблица: Методика 1
МКТ	Максимум люминесценции, нм
МНЧ-TEOS-СdSe	\(<270\)	\(320\)–\(350\)	\(400\)–\(430\)	\(480\)–\(510\)	\(560\)–\(590\)	\(640\)–\(670\)	\(>720\)
МНЧ-TEOS-ZnSe	\(<260\)	\(310\)–\(340\)	\(390\)–\(420\)	\(470\)–\(500\)	\(550\)–\(580\)	\(630\)–\(660\)	\(>710\)
МНЧ-TEOS-СdS	\(<260\)	\(310\)–\(360\)	\(410\)–\(460\)	\(510\)–\(560\)	\(610\)–\(660\)	\(710\)–\(760\)	\(>810\)
МНЧ-TEOS-ZnS	\(<260\)	\(310\)–\(360\)	\(410\)–\(460\)	\(510\)–\(560\)	\(610\)–\(660\)	\(710\)–\(760\)	\(>810\)
МНЧ-TEOS-СdS-Cys	\(<190\)	\(240\)–\(270\)	\(320\)–\(350\)	\(400\)–\(430\)	\(480\)–\(510\)	\(560\)–\(590\)	\(>640\)
МНЧ-TEOS-ZnS-Cys	\(<240\)	\(290\)–\(320\)	\(370\)–\(400\)	\(450\)–\(480\)	\(530\)–\(560\)	\(610\)–\(640\)	\(>690\)
Баллы	0	2	5	10	5	2	0

Таблица: Методика 2
МКТ	Максимум люминесценции, нм
МНЧ-APTES-СdSe	\(<250\)	\(300\)–\(330\)	\(380\)–\(410\)	\(460\)–\(490\)	\(540\)–\(570\)	\(620\)–\(650\)	\(>700\)
МНЧ-APTES-ZnSe	\(<290\)	\(340\)–\(370\)	\(420\)–\(450\)	\(500\)–\(530\)	\(580\)–\(610\)	\(660\)–\(690\)	\(>740\)
МНЧ-APTES-СdS	\(<290\)	\(340\)–\(370\)	\(420\)–\(450\)	\(500\)–\(530\)	\(580\)–\(610\)	\(660\)–\(690\)	\(>740\)
МНЧ-APTES-ZnS	\(<190\)	\(240\)–\(270\)	\(320\)–\(350\)	\(400\)–\(430\)	\(480\)–\(510\)	\(560\)–\(590\)	\(>640\)
МНЧ-APTES-СdS-Cys	\(<200\)	\(250\)–\(280\)	\(330\)–\(360\)	\(410\)–\(440\)	\(490\)–\(520\)	\(570\)–\(600\)	\(>650\)
МНЧ-APTES-ZnS-Cys	\(<200\)	\(250\)–\(280\)	\(330\)–\(360\)	\(410\)–\(440\)	\(490\)–\(520\)	\(570\)–\(600\)	\(>650\)
Баллы	0	2	5	10	5	2	0

Таблица: Методика 3
МКТ	Максимум люминесценции, нм
МНЧ-Cys-СdSe	\(<260\)	\(310\)–\(340\)	\(390\)–\(420\)	\(470\)–\(500\)	\(550\)–\(580\)	\(630\)–\(660\)	\(>710\)
МНЧ-Cys-ZnSe	\(<260\)	\(310\)–\(340\)	\(390\)–\(420\)	\(470\)–\(500\)	\(550\)–\(580\)	\(630\)–\(660\)	\(>710\)
МНЧ-Cys-СdS	\(<190\)	\(240\)–\(280\)	\(330\)–\(370\)	\(420\)–\(460\)	\(510\)–\(550\)	\(600\)–\(650\)	\(>700\)
МНЧ-Cys-ZnS	\(<180\)	\(230\)–\(270\)	\(320\)–\(360\)	\(410\)–\(450\)	\(500\)–\(540\)	\(590\)–\(640\)	\(>690\)
МНЧ-Cys-СdS-Cys	\(<100\)	\(150\)–\(190\)	\(240\)–\(280\)	\(330\)–\(370\)	\(420\)–\(460\)	\(510\)–\(550\)	\(>600\)
МНЧ-Cys-ZnS-Cys	\(<170\)	\(220\)–\(260\)	\(310\)–\(350\)	\(400\)–\(440\)	\(490\)–\(530\)	\(580\)–\(620\)	\(>670\)
Баллы	0	2	5	10	5	2	0

Оценка выполнения командной задачи будет складываться из пяти основных компонентов:

Оценка магнитных свойств модифицированных МНЧ. Работает принцип «наличие/отсутствие» результата. Максимальное количество баллов — 15. Оценка проводится действием магнита.
Оценка размера модифицированных МНЧ. При получении МНЧ с заданными размерами для каждого типа модификации устанавливаются максимально допустимые и оптимальные возможные значения размеров. Между максимальным и минимальным количеством баллов предусмотрены промежуточные варианты в зависимости от среднего размера полученных МНЧ, расчет баллов проводится линейной интерполяцией. Максимальное количество баллов — 30.
Оценка флуоресцентных свойств КТ. Оценка проводится спектрофлуориметрически. Регистрируют спектры флуоресценции КТ при заданных длинах волн возбуждения. При попадании максимума флуоресценции в заданный диапазон выставляется наибольший балл, предусмотрены промежуточные варианты в зависимости от полученного максимума флуоресценции, расчет баллов проводится линейной интерполяцией. Максимальное количество баллов — 60.
Оценка магнитных свойств полученных МКТ (коллоидного раствора). Работает принцип «наличие/отсутствие» результата. Максимальное количество баллов — 40. Оценка проводится действием магнита под УФ-лампой.
Оценка флуоресцентных свойств МКТ. Оценка проводится спектрофлуориметрически. Регистрируют спектры флуоресценции КТ при заданных длинах волн возбуждения. При попадании максимума флуоресценции в заданный диапазон выставляется наибольший балл, предусмотрены промежуточные варианты в зависимости от полученного максимума флуоресценции, расчет баллов проводится линейной интерполяцией. Максимальное количество баллов — 80.

Штрафные санкции

При оценивании работы команды есть критерий «Соблюдение техники безопасности». За него можно будет получить полное, отведенное на этот критерий, количество баллов, если не нарушать ТБ. За каждое нарушение баллы снимаются, вплоть до получения нуля баллов по этому критерию. Уйти в отрицательные значения и затронуть баллы за другие части задачи нельзя.

При первом нарушении ТБ команда получает предупреждение, повторное нарушение приводит к обнулению баллов по конкретному пункту ТБ (см. таблицу 1.6). Если нарушение повторяется по одному и тому же поводу три раза, то команда теряет все 15 баллов за ТБ. Повторное систематическое нарушение может привести к дисквалификации команды.


Требование безопасности	Потеря баллов
Работу с реактивами необходимо проводить в защитных очках и лабораторных перчатках (любое взаимодействие с емкостями и манипуляции с ними).	3
Некорректное взаимодействие с реактивами (пробовать на вкус, неправильно нюхать, использовать легковоспламеняющиеся жидкости вблизи горячих поверхностей и т. д.).	3
При работе с горячими поверхностями (плитка, муфельная печь) запрещено использовать латексные или нитриловые лабораторные перчатки, требуется использование защитных очков и жаростойких перчаток.	3
Некорректное использование приборов, которое может привести к их поломке или нанесению потенциального вреда человеку.	3
Для утилизации реактивов используется только специальная емкость для слива органических веществ, недопустимо выливать реактивы в раковину. Сухие излишки от взвешивания и рассыпанные вещества переносятся в сухой слив.	3

Таким образом, балл за командную практическую задачу будет рассчитываться по следующей схеме:

\[\begin{aligned} \text{Итоговый балл}& = \text{баллы за ТБ } (\text{от } 0\text{ до }\text{15}) \\ &+ \text{баллы за получение и модификацию МНЧ } (\text{от } 0\text{ до }15) \\ &+ \text{баллы за размер полученных модифицированных МНЧ } \\&~~(\text{от } 0\text{ до }30) \\ &+ \text{баллы за получение и флуоресценции КТ } (\text{от } 0\text{ до }60) \\ &+ \text{баллы за магнитные свойства МКТ } (\text{от } 0\text{ до }40) \\ &+ \text{баллы за флуоресценцию МКТ } (\text{от } 0\text{ до }80).\\ \end{aligned}\]

Максимальный возможный результат команды за инженерный тур составляет 240 баллов.

Для расчета итогового балла полученные баллы пропорционально будут переведены в 100-балльную шкалу.

Подведение итогов будет происходить в конце каждого рабочего дня. В любой день в течение времени команда может приходить и сдавать результаты работы на оценку эксперту на площадке. Команда может сдавать итоги работы несколько раз, засчитывается лучший результат. Допускается сдавать сразу несколько образцов по результатам работы по разным методикам.

Электронный журнал является официальным документом команды, в котором фиксируются все этапы работы, а также полученные результаты. Журнал ведется, в первую очередь, для команды, поскольку позволяет отслеживать изменения экспериментальных данных, зависимость результатов от условий проведения реакций/подготовки образцов на анализ, сроки выполнения работы и прочее. В спорных ситуациях — если чего-то нет в лабораторном журнале, значит — не существует.

В шаблоне электронного журнала указаны все необходимые пункты, которые необходимо фиксировать при выполнении практической части. В электронном журнале обязательно фиксируется дата, время выполнения эксперимента и сдача полученных результатов эксперту.

Шаблон электронного журнала участникам предоставляется через ссылку в тексте комплексной инженерной задачи и в чате финалистов.

По окончании работы на площадке каждого дня участники должны загрузить актуальную версию электронного журнала через электронную форму (опрос).

Важно: электронный журнал — это единый документ для всех соревновательных дней. Команда работает в одном и том же документе, не разделяя на отдельные файлы по каждому рабочему дню.

Решение задачи

На первом этапе решения КИЗ необходимо провести синтез базовых МНЧ и стабилизировать их поверхность гидрофобной (TEOS) и гидрофильными оболочками (APTES и L-цистеин) по предложенным методикам. Важно, что перед каждой модификацией базовые МНЧ необходимо диспергировать действием ультразвука для достижения необходимого размера.

Полученные МНЧ должны показывать свои магнитные свойства, а именно, при поднесении к ним магнита взаимодействовать с ним. Возможно уменьшение загрузок с целью экономии реактивов.

Модификация поверхности недиспергированных МНЧ может привести к размерам, не укладывающимся в оптимальные (заданные) значения. Один из методов модификации поверхности МНЧ также содержит и отдельный метод их получения (модификация поверхности L-цистеином).

Вторым этапом работы является синтез КТ по предложенным методикам. Первый тип методик заключается в получении селенидов кадмия и цинка. Для получения наночастиц, обладающих нужным максимумом люминесценции, нужно проводить реакцию достаточно длительный период времени с целью образования крупных частиц.

Второй тип методик заключается в получении сульфидов кадмия и цинка, тогда как третий тип методик позволяет получить сульфидные КТ дополнительно модифицированные L-цистеином посредством дисульфидных связей.

Флуоресцентные свойства полученных КТ исследуются в диапазоне длин волн возбуждения 200–700 нм.

Третий этап работы — получение МКТ. Однако по предложенным методикам невозможно получить все 18 конъюгатов. МКТ можно получить двумя путями: физической и химической конъюгацией. Физический подход заключается во взаимодействии гидрофобных (модифицированных TEOS) МНЧ и селенидов/сульфидов кадмия и цинка. Так, КТ оказываются запертыми внутри оболочки из TEOS. КТ модифицированные аминокислотой являются полярными и не могут нековалентно связаться с поверхностью МНЧ.

Для реализации химического подхода нужно использовать методики №№ 2 и 3. В первом случае МНЧ, модифицированные APTES, ковалентно связываются с КТ, связанными с L-цистеином, а во втором — МНЧ, модифицированные L-цистеином, связываются с сульфидами. Таким образом, можно получить 8 образцов МКТ.

Полученные МКТ должны показывать свои магнитные и флуоресцентные свойства. Флуоресцентные свойства МКТ исследуют в диапазоне длин волн возбуждения 200–700 нм.

Материалы для подготовки

Chekina N. et al. Fluorescent magnetic nanoparticles for biomedical applications // Journal of Materials Chemistry. — 2011. — Т. 21. — №. 21. — С. 7630–7639.
Ebrahiminezhad A. et al. Preparation of novel magnetic fluorescent nanoparticles using amino acids // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. — 2013. — Т. 102. — С. 534–539.
Mazing D. S. et al. Preparation of cadmium selenide colloidal quantum dots in non-coordinating solvent octadecene // Journal of Physics: Conference Series. — IOP Publishing, 2015. — Т. 661. — №. 1. — С. 012033.
Landry M. L. et al. Simple syntheses of CdSe quantum dots // Journal of Chemical Education. — 2014. — Т. 91. — №. 2. — С. 274–279.
Tyagi C., Sharma A., Kurchania R. Synthesis of CdS quantum dots using wet chemical co-precipitation method // J. Non-Oxide Glasses. — 2014. — Т. 6. — №. 2. — С. 23–26.
Ren C. et al. Preparation and properties of a new multifunctional material composed of superparamagnetic core and rhodamine B doped silica shell // Nanotechnology. — 2007. — Т. 18. — №. 34. — С. 345604.
Набор материалов с инженерного тура отборочного этапа.