Персональные (био)сенсоры на лактат с расширенным диапазоном для экспрессного анализа пота и кровиНИР

Personal lactate (bio)sensors with expanded linear range for express analysis of sweat and blood

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 29 декабря 2023 г.-31 декабря 2024 г. Разработка ферментных тест-полосок на лактат и электродных структур на основе составов паст, содержащих модификаторы
Результаты этапа: 1.Разработаны электроды на основе углеродсодержащих паст с добавками медиаторов (фенотиазин, ферроцен, гексацианоферрат (III) калия) в количестве 11 масс.%, а также разработанных в ходе проекта композитных наночастиц С/БЛ в количестве 2-5 масс%. Малые отклонения (4%) в значениях поверхностной концентрации диффузионно-подвижного гексацианоферрата (ГЦФ) в пределах партии печатных электродов свидетельствуют о высокой воспроизводимости способа изготовления пасты и электродов. Каталитические токи на ЦВА зарегистрированы для всех выбранных медиаторов в растворе лактатоксидазы (ЛОД) и лактата. Чувствительность сенсоров на основе пасты с С/БЛ к пероксиду водорода увеличивается при повышении концентрации наночастиц в углеродной пасте: от 110±20 мА/М/см2 до 250±35 мА/М/см2. Предложенный подход позволяет упростить процесс изготовления сенсора, а также понизить предел обнаружения: до (2.5±0.3)‧10-7 М. Показано, что добавка медиаторов или наночастиц не влияет на сопротивление углеродного слоя электрода (9–12 Ом). 2.Для модифицированных на стадии печати электродов наибольшая чувствительность лактатных тест-полосок и самый широкий диапазон линейности отклика, покрывающий диапазон содержаний лактата в крови от 0.5 до 7 мМ лактата, получены в случае ГЦФ (11% в пасте). При иммобилизации ЛОД в полисилоксане (1.5% АПТЭС) или хитозане (0.05 об.%) чувствительность медиаторных биосенсоров в рН 7.4 составила 71±6 мА/М/см2 и 70±9 мА/М/см2, соответственно, в условиях регистрации тока на 5-й секунде после приложения постоянного потенциала 0.3 В. Показано, что чувствительность от времени изменяется пропорционально скорости высвобождения медиатора. Такая же чувствительность (70±9 мА/М/см2) наблюдалась и для биосенсоров на основе композитных наночастиц C/БЛ (2 масс. %), однако диапазон линейности при этом смещен в область низких содержаний лактата и ограничен сверху 0.5 мМ. Чувствительность сенсоров на основе ферроцена в 2.5 раза выше, чем таковая для сенсоров на основе фенотиазина, 23±3 мА/М/см2 и 9±3 мА/М/см2, соответственно. Такие биосенсоры демонстрировали диапазон линейности отклика от 1 до 5 мМ лактата. 3. Для со-иммобилизации фермента (ЛОД) и медиаторов (ферроцен, фенотиазин, ГЦФ, хлорид гексаамминрутения (III) (ГАР) и метосульфат феназина (ФМС)) в одной полиэлектролитной матрице (хитозан, полисилоксан) разработаны составы трехкомпонентных мембранообразующих смесей. Мембранообразующие смеси на основе хитозана показали высокую коллоидную устойчивость и стабильность при хранении: после 2-х недель хранения смеси при 4°С аналитические характеристики свежеизготовленных тест-полосок на ее основе воспроизводятся. Составы мембранообразующих смесей оптимизировали по содержанию фермента (1–10 мг/мл), медиатора (20–100 мМ) и хитозана (0.001-0.1 об.%). Лактатные тест-полоски на их основе изготовлены путем одностадийной капельной модификации графитовых печатных электродов. Тест-полоски с ФМС в роли медиатора продемонстрировали рекордную чувствительность (90±8 мА/М/см2), но узкий диапазон линейности отклика, до 1мМ. Более широким диапазоном линейности отклика, от 0.5 до 10-20 мМ лактата, и чувствительностью 30 – 50 мА/М/см2 характеризуются тест-полоски на основе ЛОД и ГАР или ГЦФ. 4.Разработан способ синтеза композитных наночастиц берлинская лазурь/углеродные наночастицы (С/БЛ). Размер синтезированных наночастиц увеличивается от 48 до 170 нм при повышении содержания углеродных частиц до 5-10 мг и далее стабилизируется на уровне 130±10 нм. Капельная модификации суспензиями С/БЛ (1мМ БЛ) поверхности электрода позволяет достичь максимально возможного количества электроактивной лазури 20-40 нмоль/см2, что сопровождается уменьшением сопротивления переноса заряда на спектрах импеданса. Аналогично, при увеличении содержания углеродных наночастиц в реакционной смеси выше 10 мг/мл удалось повысить коэффициент чувствительности сенсоров на пероксид водорода до рекордного значения: 1.5–1.9 А/М/см-2. Аналитические характеристики лактатных биосенсоров на основе C/БЛ также зависят от количества углеродных наночастиц, чувствительность варьируется от 80 до 180 мА/М/см2 и максимум чувствительности соответствует 7.5 мг УНЧ в реакционной смеси для синтеза С/БЛ. 5. Проанализированы данные хроноамперометрии для разработанных тест-полосок на основе мембран различного состава в буферных растворах рН 7.4 (моделирующем кровь) и рН 6.0 (моделирующем пот). Градуировочные зависимости получены при временах регистрации тока в диапазоне от 5 до 30 секунд после затекания образца в капилляр объемом до 1 мкл. В рН 7.4 наиболее высокая чувствительность (51±5 мА/М/см2) наблюдается для тест-полосок на основе со-иммобилизации ГЦФ (100мМ) и фермента (5 мг/мл ЛОД) из 0.005-0.01 об.% раствора хитозана при регистрации тока на 5-й секунде. Диапазон линейности соответствует содержаниям лактата в крови. На примере противоположно заряженных медиаторов (ГАР, ГЦФ) продемонстрировано влияние электростатических эффектов на аналитические характеристики тест-полосок, благодаря которым удалось разработать тест-полоски с широким линейным диапазоном, удовлетворяющим содержанию лактата в поте. В рН 6.0 чувствительность тест-полосок на основе ГЦФ снижается в среднем в 3-4 раза по сравнению с рН 7.4, но достигнуто смещение диапазона линейности в область высоких содержаний лактата: 3–30мМ вплоть до 50-100мМ. Таким образом, разработанные тест-полоски перспективны для анализа неразбавленных образцов пота и крови. 6.Показана применимость углеродсодержащих паст различного производства для создания тест полосок. Электрохимическая активность ГЦФ, в отличие от ГАР, существенно зависит от материала электрода. Предложен способ улучшения электрохимических характеристик паст отечественного производства путем добавки сажи в состав пасты. Наилучшие электрохимические свойства в растворе ГЦФ продемонстрировала паста C2030519P4 (Великобритания), а образец пасты GP-5 (РФ) показал сопоставимые характеристики. Показано, что изменение чувствительности тест-полосок соответствует изменению электроактивности медиатора на ЦВА. При этом практически для всех образцов паст диапазон линейности отклика тест-полосок на основе ГЦФ составил от 1 до 15-20 мМ лактата. Чувствительность тест-полосок на основе ГАР сопоставима для разных углеродных материалов и лежит в диапазоне от 20 до 40 мА/М/см2, однако диапазон линейности более узкий и ограничен сверху 3-10 мМ. 7.Опубликована статья в Journal of Electroanalytical Chemistry (Q1, IF 4.1), а также представлены на конференциях «ЭМА-2024», «Ломоносов 2024», XXII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, XXIX Менделеевский конкурс студентов-химиков.
2 31 декабря 2024 г.-31 декабря 2025 г. Бесферментные электрохимические сенсоры на лактат, функционирующие за счет специфических взаимодействий с фенилборной кислотой, включённой в цепь проводящего полимера
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".