Первый автор статьи Дарья Вохмянина и руководитель проекта, поддержанного РНФ, Аркадий Карякин. Источник: Дарья Вохмянина
Химики смогли улучшить углеродные чернила, используемые при трафаретной печати электродных структур для сенсоров, добавив в них наночастицы берлинской лазури. Этот синий краситель катализирует восстановление перекиси водорода — обычного продукта ряда ферментативных реакций — и преобразует химический сигнал в электрический. Такая модификация чернил позволила примерно в четыре раза снизить предел обнаружения датчика за счет лучшего различения полезного и фонового сигнала. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованной на страницах журнала Biosensors, помогут упростить создание сенсоров для клинических анализаторов глюкозы и лактата.
Обнаружение перекиси водорода (H2O2) имеет большую диагностическую ценность. Она образуется в организме для уничтожения поврежденных молекул и служит одним из маркеров окислительного стресса, сопровождающего некоторые патологии, в том числе нейродегенеративные заболевания и диабет. Перекись получается и в результате многих ферментативных реакций, например окисления глюкозы и лактата, уровень которого может сильно повышаться при интенсивных тренировках или ряде заболеваний.
Таким образом, датчики, чувствительные к перекиси водорода, позволяют не только выявлять серьезные болезни, но и контролировать состояние здоровых людей при повышенных нагрузках. Подобные устройства были ранее разработаны химиками Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва).
«В их основе — синий краситель берлинская лазурь, который работает как искусственный фермент, превращающий потенциально опасную перекись в безопасную воду. При нанесении на электрод этот краситель в присутствии пероксида водорода продуцировал сигнал, пропорциональный его концентрации в широком диапазоне от 0,2 до 1000 микромолей в литре. В сенсорике, как правило, применяют поверхностно модифицированные электроды, однако коммерческие аналоги не только дороги, но и могут иметь худшие характеристики, например, давать больше побочных сигналов. При этом в лаборатории процесс поверхностной модификации пленками берлинской лазури — задача достаточно трудоемкая: на один электрод может уйти полтора часа», — рассказывает первый автор статьи и исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дарья Вохмянина, кандидат химических наук, научный сотрудник химического факультета МГУ.
В новой работе коллектив применил свои наработки не для поверхностной, а для более удобной и быстрой объемной модификации электродов. Подход предполагает, что полезный компонент будет добавлен еще на этапе изготовления, и здесь как нельзя лучше подходит метод трафаретной печати. Его суть заключается в том, что на подложку наносится своего рода трафарет, по которому будет создан необходимый рисунок, например, при помощи специального принтера, заправленного электропроводящими чернилами. Именно в них авторы добавили наночастицы берлинской лазури, а затем напечатали сенсоры, что заняло всего несколько минут на один электрод. При поверхностной модификации этап печати тоже есть, но потом электроды нужно дополнительно покрыть пленкой катализатора, что увеличивает время производства каждой партии более чем на 2,5 часа.
Результаты экспериментов по обнаружению целевых веществ показали, что объемно-модифицированные электроды дают в шесть раз лучшее соотношение между полезным сигналом и шумом (грубо говоря, фоном), чем в случае поверхностной модификации. Это означает, что даже в сложных пробах, где могут проходить побочные мешающие реакции, датчик лучше сможет вычленить сигнал от целевых соединений. В результате сенсор способен определять концентрации перекиси в четыре раза меньшие, чем при использовании поверхностно модифицированных электродов.
Вместе с тем авторы столкнулись со сниженным коэффициентом чувствительности сенсоров, впрочем, возрастающим с увеличением концентрации наночастиц в чернилах, — сигнал, считываемый прибором, оказался до пяти раз ниже в сравнении с поверхностно-модифицированными образцами. В целом, для объемно-модифицированного электрода наблюдалось снижение как целевого, так и паразитного сигнала. Последний уменьшался в несколько раз сильнее, что позволяет значительно лучше различить полезный сигнал на фоне помех и расширить диапазон определяемых концентраций, определяя более низкие содержания аналитов. Химики объясняют это тем, что электроды отличались количеством берлинской лазури на поверхности, где и протекает реакция, обусловливающая силу сигнала.
Принципиальная схема устройства и работы биосенсора. Источник: Дарья Вохмянина
«Однако этот недостаток не умаляет преимуществ нашего подхода — он гораздо быстрее и проще для массового производства сенсоров. Кроме того, анализировать более низкие концентрации можно не только путем увеличения коэффициента чувствительности, но и путем снижения шума, что мы и показали в данной работе. Разработанные сенсоры позволяют измерять в несколько раз меньшие концентрации пероксида, глюкозы и лактата по сравнению с поверхностно-модифицированными электродами, даже в столь сложной пробе, как сыворотка крови человека. В дальнейшем мы планируем проверить, удастся ли дойти до теоретического предела величины отношения сигнал/шум при увеличении количества лазури в материале электрода. Правда, это потребует разработки иного способа внесения модификатора», — подводит итог Дарья Вохмянина.
По словам авторов, сейчас в России не производят сенсоры для клинических анализаторов глюкозы и лактата, а потому есть риски проблем с поставками из других стран. Имеющиеся технологии достаточно сложны для использования в промышленном производстве, однако предложенная методика позволяет сделать шаг к решению вопросов импортозамещения.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
