ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА И ЛЮМИНОФОРОВ В МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И КРИОГЕННОЙ СЕНСОРИКЕ
|
Введение 6
1 Теоретические основы спектроскопии и зондирования 8
1.1 Историческая справка 8
1.2 Спектроскопия 9
1.3 Метод спектрального анализа 12
1.3.1 Закон поглощения Бугера -Ламберта-Бера 13
1.4 Флуоресценцентные зонды 14
2 Органические люминофоры класса BODIPY 16
2.1 Синтез, структура, свойства 16
2.2 Области применения 17
2.2.1 Описание перспективности применения в температурной сенсорике 18
2.3 Патентно-информационное исследование 20
2.3.1 Патентный ландшафт 23
2.4 Выводы 26
3 Спектральный анализ на наличие антибиотиков в молочной продукции 27
3.1 Описание проблематики 27
3.2 Антибиотики. Классификация 28
3.3 Применение в животноводстве 29
3.4 ПИИ методов анализа на остаточные антибиотики 30
3.4.1 Анализ патентообладателей 32
3.4.2 Патентный ландшафт 34
3.5 Маркетинговое исследования метода спектральной детекции 37
3.5.1 Расчет экономической целесообразности внедрения на производство 40
3.6 Выводы 42
4 Инженерная этика 43
5 Экология, устойчивое развитие 46
Заключение 48
Список использованных источников и литературы 51
Приложение А 56
Приложение Б 99
1 Теоретические основы спектроскопии и зондирования 8
1.1 Историческая справка 8
1.2 Спектроскопия 9
1.3 Метод спектрального анализа 12
1.3.1 Закон поглощения Бугера -Ламберта-Бера 13
1.4 Флуоресценцентные зонды 14
2 Органические люминофоры класса BODIPY 16
2.1 Синтез, структура, свойства 16
2.2 Области применения 17
2.2.1 Описание перспективности применения в температурной сенсорике 18
2.3 Патентно-информационное исследование 20
2.3.1 Патентный ландшафт 23
2.4 Выводы 26
3 Спектральный анализ на наличие антибиотиков в молочной продукции 27
3.1 Описание проблематики 27
3.2 Антибиотики. Классификация 28
3.3 Применение в животноводстве 29
3.4 ПИИ методов анализа на остаточные антибиотики 30
3.4.1 Анализ патентообладателей 32
3.4.2 Патентный ландшафт 34
3.5 Маркетинговое исследования метода спектральной детекции 37
3.5.1 Расчет экономической целесообразности внедрения на производство 40
3.6 Выводы 42
4 Инженерная этика 43
5 Экология, устойчивое развитие 46
Заключение 48
Список использованных источников и литературы 51
Приложение А 56
Приложение Б 99
Как известно в середине 18 века произошла промышленная революция, это событие стало началом интенсивного развития промышленного производства, что повлекло за собой огромные проблемы с загрязнением окружающей среды. С каждым годом отходы от промышленного, транспортного, энергетического производства все больше загрязняют окружающий мир сточными водами, выхлопными газами и различного рода отложениями, токсичными соединениями и т.д. Так же усугубляет ситуацию фармацевтическая и аграрные сферы деятельности человека.
Использование лекарственных средств (ЛС) является неотъемлемой частью медицинской практики, ветеринарии и рыбоводческом хозяйстве во всем мире. Пренебрежение правилами лечения и ненадлежащая утилизация являются причинами загрязнений [2]. В 1965-1976 году был опубликован ряд научных статей по теме загрязнения сточных вод, в которых впервые упоминалось присутствие ЛС в окружающей среде [3].
Если говорить об аграрной промышленности, то данные Роспотребнадзора, озвученные в докладе «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в России в 2018 году», говорят о превышении нормативов по санитарнохимическим показателям [4]. В следствии вышеуказанных факторов отходы остаются в почве, в воде и в воздухе и, естественно, тем или иным путем попадают в организм человека.
На сегодняшний день эко-безопасность производства большинства продуктов является значимым фактором конкуренции на международном уровне и ПДК токсичных соединений и различных примесей контролируется санитарно-эпидемиологической службой в порядке санитарного надзора [5].
В современной науке и технике используются различные методы определения химического состава веществ. Среди них спектральный анализ занимает одно из значимых мест, поскольку он имеет множество преимуществ и достоинств [6]. Спектральный анализ (СА) занимает важное место в химии, медицине, судебной медицине, биологии, сенсорике и многих других областях. Такие методы используются для определения состава сложных композиций, изучения строения веществ, состояния живых организмов, контроля качества продукции, измерения температур и т.д. Оптическая спектроскопия является идеальным методом для неразрушающего отбора проб и анализа в реальном времени [7], что считается основной причиной возрастающей роли спектроскопии в современную эпоху.
Использование света при анализе осуществляется с целью фиксирования особенности специфических фотоиндуцированных процессов, происходящих внутри и между молекулами, и, более того, химические и структурные изменения таких объектов могут отслеживаться и управляться в интерактивном режиме с помощью люминесцентных молекулярных зондов, обладающих известными спектральными свойствами [8].
Как уже отмечалось СА применяется в таких сферах как: экология, металлургия, машиностроение, экология, геология. Кроме того, одной из сфер в которой применяется спектроскопия является оптическая сенсорика. Температура является важной характеристикой состояния вещества, отражающая изменения тех или иных свойств изучаемого объекта. Применяемые оптические методы основаны на изменении спектрального распределения испускаемого излучения [9], в которых используются зависимости оптических свойств сред (поглощение света (абсорбция), отражение первичного (падающего) светового потока, люминесценция, тепловой эффект и т.д.) [10]. Оптические датчики применяются в медицине, строительстве, электроэнергетике, химической, пищевой и в других отраслях промышленности. С их помощью осуществляется контроль и мониторинг вибраций, температур, химического состава, деформация и другие переменные свойства объектов исследования [11]. На сегодняшний день есть множество датчиков на основе оптоволокна и сложных органических соединений (люминофоров), последние на данный момент представляют особый интерес для научного сообщества.
Цель работы: оценить эффективность и перспективность применения методов спектрального анализа с использованием различных классов люминофоров в сферах пищевой промышленности и криогенной сенсорики.
Задачи:
- Изучить принципы спектроскопии и методы спектрального анализа.
- Описать проблематику загрязнения окружающей среды токсичными соединениями и обосновать значимость их точного определения.
- Проанализировать сферы применяющий спектральную детекцию.
- Систематизировать полученную информацию.
- Патентно-информационный анализ применения дипиррометенов в температурной сенсорике.
- Маркетинговое и экономическое исследование, патентно-информационный анализ спектрального метода детектирования остаточного количества антибиотиков в молочной продукции.
- Составить формулу изобретения «Метод спектрального анализа на остаточное количество антибиотиков в молочной продукции».
- Сформулировать рекомендации к дальнейшей работе.
Использование лекарственных средств (ЛС) является неотъемлемой частью медицинской практики, ветеринарии и рыбоводческом хозяйстве во всем мире. Пренебрежение правилами лечения и ненадлежащая утилизация являются причинами загрязнений [2]. В 1965-1976 году был опубликован ряд научных статей по теме загрязнения сточных вод, в которых впервые упоминалось присутствие ЛС в окружающей среде [3].
Если говорить об аграрной промышленности, то данные Роспотребнадзора, озвученные в докладе «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в России в 2018 году», говорят о превышении нормативов по санитарнохимическим показателям [4]. В следствии вышеуказанных факторов отходы остаются в почве, в воде и в воздухе и, естественно, тем или иным путем попадают в организм человека.
На сегодняшний день эко-безопасность производства большинства продуктов является значимым фактором конкуренции на международном уровне и ПДК токсичных соединений и различных примесей контролируется санитарно-эпидемиологической службой в порядке санитарного надзора [5].
В современной науке и технике используются различные методы определения химического состава веществ. Среди них спектральный анализ занимает одно из значимых мест, поскольку он имеет множество преимуществ и достоинств [6]. Спектральный анализ (СА) занимает важное место в химии, медицине, судебной медицине, биологии, сенсорике и многих других областях. Такие методы используются для определения состава сложных композиций, изучения строения веществ, состояния живых организмов, контроля качества продукции, измерения температур и т.д. Оптическая спектроскопия является идеальным методом для неразрушающего отбора проб и анализа в реальном времени [7], что считается основной причиной возрастающей роли спектроскопии в современную эпоху.
Использование света при анализе осуществляется с целью фиксирования особенности специфических фотоиндуцированных процессов, происходящих внутри и между молекулами, и, более того, химические и структурные изменения таких объектов могут отслеживаться и управляться в интерактивном режиме с помощью люминесцентных молекулярных зондов, обладающих известными спектральными свойствами [8].
Как уже отмечалось СА применяется в таких сферах как: экология, металлургия, машиностроение, экология, геология. Кроме того, одной из сфер в которой применяется спектроскопия является оптическая сенсорика. Температура является важной характеристикой состояния вещества, отражающая изменения тех или иных свойств изучаемого объекта. Применяемые оптические методы основаны на изменении спектрального распределения испускаемого излучения [9], в которых используются зависимости оптических свойств сред (поглощение света (абсорбция), отражение первичного (падающего) светового потока, люминесценция, тепловой эффект и т.д.) [10]. Оптические датчики применяются в медицине, строительстве, электроэнергетике, химической, пищевой и в других отраслях промышленности. С их помощью осуществляется контроль и мониторинг вибраций, температур, химического состава, деформация и другие переменные свойства объектов исследования [11]. На сегодняшний день есть множество датчиков на основе оптоволокна и сложных органических соединений (люминофоров), последние на данный момент представляют особый интерес для научного сообщества.
Цель работы: оценить эффективность и перспективность применения методов спектрального анализа с использованием различных классов люминофоров в сферах пищевой промышленности и криогенной сенсорики.
Задачи:
- Изучить принципы спектроскопии и методы спектрального анализа.
- Описать проблематику загрязнения окружающей среды токсичными соединениями и обосновать значимость их точного определения.
- Проанализировать сферы применяющий спектральную детекцию.
- Систематизировать полученную информацию.
- Патентно-информационный анализ применения дипиррометенов в температурной сенсорике.
- Маркетинговое и экономическое исследование, патентно-информационный анализ спектрального метода детектирования остаточного количества антибиотиков в молочной продукции.
- Составить формулу изобретения «Метод спектрального анализа на остаточное количество антибиотиков в молочной продукции».
- Сформулировать рекомендации к дальнейшей работе.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы бакалавра проведен анализ научной литературы, аналитических данных, патентно-технической и законодательной документации. Изучены основные аспекты спектроскопии и спектрального анализа, а также сферы его применения и люминофоры, применяющиеся для его проведения. В отдельных главах подробно рассмотрены следующие объекты: органические люминофоры класса BODIPY, история их синтеза, свойства и сферы применения, построен патентный ландшафт по сферам применения органических люминофоров класса BODIPY; спектральный анализ на остаточное количество антибиотиков, изучены существующие методы отличные от спектрального анализа, так же построен патентный ландшафт по методам анализа на остаточное количество антибиотиков в молочной продукции и проведены экономические расчеты для определения экономической целесообразности разработки и внедрения метода спектрального анализа на крупные Российские предприятия. Описание результатов работ будет производиться в порядке и соответствии с описанными главами работы.
В ходе изучения научной литературы и обобщения данных, полученных в результате проведенных в рамках проекта «Приоритет-2020» (проект № НУ 2.0.7.22 МЛ) были сделаны следующие выводы:
1. Органические люминофоры класса BODIPY c момента синтеза незамещенных молекул данного класса по сегодняшний день являются предметом научного интереса и представляют собой перспективные объекты исследования и разработки во многих сферах. Их привлекательность обусловлена не только замечательными оптическими свойствами, но и простотой синтеза для достижения нужных показателей поглощения и люминесценции. В ходе исследования соединения bis(BODIPY) при температурах от 300 К до 80 К отмечено увеличение интенсивности свечения при низких температурах. Показано, что в полярных растворителях температурная зависимость линейна. Этот факт указывает на возможность использования комплексов в качестве активных носителей при создании новых материалов для криогенных датчиков температуры [29].
2. Построенный патентный ландшафт в целом показывает динамику становления популярности bis(BODIPY). Из отобранных 60 охранных документов выделено 42 патента и 18 заявок, из всех этих документов по тем или иным причинам действие временно прекращено у 4 документов. Наличие огромного количества действующих патентов и заявок говорит активности и интересе со стороны заявителей в получении патентов на новые изобретения, что указывает на развивающиеся технологические области или новые рыночные возможности. Сравнительная динамика по странам патентования показала, что наибольшее количество патентной документации сосредоточено в Китае (17 патентов и заявок), это объясняется научно-техническим уровнем этой страны, второе место занимает Россия (11 патентов и заявок). Так же было отмечено что наибольшее число патентовладельцев составляют научные учреждения, всего 28 институтов. Среди патентообладателей 21 компания и одно физическое лицо. Стоит отметить, что половина от всех охранных документов принадлежит именно юридическим компаниям. В ходе патентно-информационного анализа из отобранной охранной документации было выделено всего 2 охранных документа защищающих права на изобретения с классификацией «Датчики температур», что говорит о патентной чистоте разрабатываемых криогенных датчиков температуры на основе BODIPY.
3. Метод спектрального анализа на остаточное количество антибиотиков имеет абсолютную патентную чистоту на территории РФ. Среди отобранных 30 охранных документов (30 патентов и 7 заявок на изобретение) по анализу существующих методов обнаружения антибиотиков в молоке и молочной продукции, обнаружено 3 документа которые по международной патентной классификации относятся к коду G01N21/64 («Исследование или анализ материалов с использованием оптических средств...»), и наиболее соответствуют разрабатываемому спектральному методу для диагностики остаточного количества антибиотиков. Все три документа зарегистрированы в Китае. Анализ по патентовладельцам показал следящие соотношения: институтов-18, зарубежных компаний-13, Российских компаний-3, 3 физических лица.
В целом, наличие большого числа патентов у научных учреждений может быть положительным явлением, поскольку это свидетельствует о развитии научных исследований, инновациях и содействии общественному прогрессу. Однако, необходимо также обеспечить в дальнейшем баланс между защитой интеллектуальной собственности и доступностью новых технологий для общества. Стоит отметить, что большинство Российских патентов принадлежит зарубежным компаниям. Это может быть следствием глобализации и открытости рынка, а также свидетельством активности зарубежных компаний на территории России. Однако, для стимулирования национального инновационного потенциала и развития собственных технологий, важно создать условия для поддержки и развития национальных компаний, научных учреждений и инновационного предпринимательства.
Маркетинговый и экономический анализ подтвердил предположения о необходимости разработки и внедрения отечественных методов анализа на остаточные антибиотики в молоке. Оценка внедрения метода спектрального анализа на крупные российские предприятия показала, что ежегодные затраты на проведения тестирования
молока и молочной продукции можно сократить примерно на 60% с учетом всех трат на обслуживание лаборатории, оборудования и заработной платы сотрудников. Рассмотрение только крупных предприятий обусловлено дорогостоящим оборудованием и обязательным наличием помещения для размещения лаборатории, с учетом сокращения расходов оборудовании окупится менее чем за 2 месяца. Все вышеперечисленное говорит о перспективности разработки метода спектрального анализа и о необходимости его дальнейшего внедрения на предприятия молочной продукции.
Итогом работы является рекомендация в проведении дальнейших исследований в описанных областях оптической физики, так как возможные положительные результаты дальнейших исследований и разработок смогут в значительной степени изменить принципы проведения тестирований и анализов различных объектов исследований. Разработка и применение методов спектрального анализа, включая флуоресцентный анализ, являются важным шагом в направлении повышения качества и безопасности пищевых продуктов и имеют перспективы применения не только в молочной промышленности, но и в других отраслях пищевой промышленности.
В ходе изучения научной литературы и обобщения данных, полученных в результате проведенных в рамках проекта «Приоритет-2020» (проект № НУ 2.0.7.22 МЛ) были сделаны следующие выводы:
1. Органические люминофоры класса BODIPY c момента синтеза незамещенных молекул данного класса по сегодняшний день являются предметом научного интереса и представляют собой перспективные объекты исследования и разработки во многих сферах. Их привлекательность обусловлена не только замечательными оптическими свойствами, но и простотой синтеза для достижения нужных показателей поглощения и люминесценции. В ходе исследования соединения bis(BODIPY) при температурах от 300 К до 80 К отмечено увеличение интенсивности свечения при низких температурах. Показано, что в полярных растворителях температурная зависимость линейна. Этот факт указывает на возможность использования комплексов в качестве активных носителей при создании новых материалов для криогенных датчиков температуры [29].
2. Построенный патентный ландшафт в целом показывает динамику становления популярности bis(BODIPY). Из отобранных 60 охранных документов выделено 42 патента и 18 заявок, из всех этих документов по тем или иным причинам действие временно прекращено у 4 документов. Наличие огромного количества действующих патентов и заявок говорит активности и интересе со стороны заявителей в получении патентов на новые изобретения, что указывает на развивающиеся технологические области или новые рыночные возможности. Сравнительная динамика по странам патентования показала, что наибольшее количество патентной документации сосредоточено в Китае (17 патентов и заявок), это объясняется научно-техническим уровнем этой страны, второе место занимает Россия (11 патентов и заявок). Так же было отмечено что наибольшее число патентовладельцев составляют научные учреждения, всего 28 институтов. Среди патентообладателей 21 компания и одно физическое лицо. Стоит отметить, что половина от всех охранных документов принадлежит именно юридическим компаниям. В ходе патентно-информационного анализа из отобранной охранной документации было выделено всего 2 охранных документа защищающих права на изобретения с классификацией «Датчики температур», что говорит о патентной чистоте разрабатываемых криогенных датчиков температуры на основе BODIPY.
3. Метод спектрального анализа на остаточное количество антибиотиков имеет абсолютную патентную чистоту на территории РФ. Среди отобранных 30 охранных документов (30 патентов и 7 заявок на изобретение) по анализу существующих методов обнаружения антибиотиков в молоке и молочной продукции, обнаружено 3 документа которые по международной патентной классификации относятся к коду G01N21/64 («Исследование или анализ материалов с использованием оптических средств...»), и наиболее соответствуют разрабатываемому спектральному методу для диагностики остаточного количества антибиотиков. Все три документа зарегистрированы в Китае. Анализ по патентовладельцам показал следящие соотношения: институтов-18, зарубежных компаний-13, Российских компаний-3, 3 физических лица.
В целом, наличие большого числа патентов у научных учреждений может быть положительным явлением, поскольку это свидетельствует о развитии научных исследований, инновациях и содействии общественному прогрессу. Однако, необходимо также обеспечить в дальнейшем баланс между защитой интеллектуальной собственности и доступностью новых технологий для общества. Стоит отметить, что большинство Российских патентов принадлежит зарубежным компаниям. Это может быть следствием глобализации и открытости рынка, а также свидетельством активности зарубежных компаний на территории России. Однако, для стимулирования национального инновационного потенциала и развития собственных технологий, важно создать условия для поддержки и развития национальных компаний, научных учреждений и инновационного предпринимательства.
Маркетинговый и экономический анализ подтвердил предположения о необходимости разработки и внедрения отечественных методов анализа на остаточные антибиотики в молоке. Оценка внедрения метода спектрального анализа на крупные российские предприятия показала, что ежегодные затраты на проведения тестирования
молока и молочной продукции можно сократить примерно на 60% с учетом всех трат на обслуживание лаборатории, оборудования и заработной платы сотрудников. Рассмотрение только крупных предприятий обусловлено дорогостоящим оборудованием и обязательным наличием помещения для размещения лаборатории, с учетом сокращения расходов оборудовании окупится менее чем за 2 месяца. Все вышеперечисленное говорит о перспективности разработки метода спектрального анализа и о необходимости его дальнейшего внедрения на предприятия молочной продукции.
Итогом работы является рекомендация в проведении дальнейших исследований в описанных областях оптической физики, так как возможные положительные результаты дальнейших исследований и разработок смогут в значительной степени изменить принципы проведения тестирований и анализов различных объектов исследований. Разработка и применение методов спектрального анализа, включая флуоресцентный анализ, являются важным шагом в направлении повышения качества и безопасности пищевых продуктов и имеют перспективы применения не только в молочной промышленности, но и в других отраслях пищевой промышленности.
