Гибридные материалы на основе блоксополимеров в применении к прямому электрохимическому анализу нуклеиновых кислот и гемопротеиновНИР

Block copolymer based hybrid materials for direct electrochemical biosensing of nucleic acids and hemoproteins

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Гибридные материалы на основе блоксополимеров в применении к прямому электрохимическому анализу нуклеиновых кислот и гемопротеинов
Результаты этапа: В течение первого года выполнения проекта (этап 2018 года) разработан эффективный подход к диспергированию углеродных наноматериалов в водных средах с помощью амфифильных (со)полимеров (ионогенных амфифильных диблоксополимеров, полиионных жидкостей, полиамфолитных амфифильных (со)полимеров). В частности получены обладающие высокой коллоидной устойчивостью дисперсии углеродных нанотрубок в водных растворах амфифильных (со)полимеров и исследована их коллоидная устойчивость в зависимости от рН окружающей среды. Показано, что водные дисперсии углеродных нанотрубок теряют свою коллоидную стабильность при понижении степени ионизации солюбилизирующего углеродные наноматериалы амфифильного (со)полимера, что приводит к образованию нерастворимого продукта, причем последний процесс является обратимым. Установлено, что устойчивые на коллоидном уровне дисперсии углеродных нанотрубок в водных растворах амфифильных (со)полимеров содержат значительное количество отдельных нанотрубок, а также некоторое количество агрегатов (пучков) нанотрубок, фракция которых определяется типом углеродного наноматериала, типом амфифильного (со)полимера, а также составом получаемой дисперсии. Оптимальное содержание амфифильного (со)полимера, необходимое для получения устойчивых на коллоидном уровне дисперсий углеродных нанотрубок, составляет 5 мг (со)полимера на 1 мг углеродного наноматериала. Обнаружено, что модификация печатных графитовых электродов полученными дисперсиями углеродных нанотрубок в водных растворах амфифильных (со)полимеров позволяет в несколько раз (до 10 раз) увеличить электроактивную площадь поверхности электрода. Установлено, что модифицированные электроды с нанокомпозитным покрытием являются перспективной платформой для количественного анализа биологически активных молекул, таких как ДНК, олигонуклеотиды, цитохром с, а также различные лекарственные соединения. В частности показано, что планарные графитовые электроды, модифицированные дисперсиями углеродных нанотрубок в водных растворах анионных диблоксополимеров (поли-н-бутилакрилат-блок-полиакриловая кислота), можно применять для прямой электрохимической детекции цитохрома с. Исследовано влияние рН и состава дисперсий, используемых для модификации планарных графитовых электродов, а также количества наносимого на электрод модификатора на электрохимические параметры циклической вольтамперометрии цитохрома с. Помимо этого изучено влияние длины анионного блока сополимера, рН раствора, из которого происходит адсорбция белка, а также значения рН, при котором осуществляют измерение электрохимического отклика, на аналитические параметры электрохимического определения цитохрома с. Проведено сравнительное исследование применимости планарных графитовых электродов, модифицированных дисперсиями углеродных нанотрубок в водных растворах катионных диблоксополимероов (поли-1,2-бутадиен-блок-полидиметиламиноэтилметакрилат) или в водных растворах полиионной жидкости (поли-N-бутилимидазолий бромид), для количественного анализа модельной двуцепочечной ДНК из молок осетровых рыб на основе прямого электроокисления остатков аденина и гуанина. На примере коротких олигонуклеотидов продемонстрирована возможность электрохимической регистрации точечных мутаций ДНК. Установлена возможность электрохимической регистрации интеркаляции лекарственных соединений или их наноформ (на примере рифампицина и его наноформы) в ДНК. Проведено сравнительное исследование применимости планарных графитовых электродов, модифицированных дисперсиями углеродных нанотрубок в водных растворах катионных диблоксополимероов (поли-1,2-бутадиен-блок-полиэиметиламиноэтилметакрилат) или в водных растворах полиионных жидкостей (поли-N-бутилимидазолий бромид, поли-N-этилимидазолий бромид), для количественного анализа лекарственных соединений путем регистрации их электроокисления. Оптимизированы условия проведения электрохимического окисления диклофенака, ацетаминофена, ибупрофена, аскорбиновой кислоты на модифицированных дисперсиями углеродных нанотрубок печатных графитовых электродах и определены аналитические характеристики электроокисления лекарственных соединений. Опробована применимость разработанной методики для анализа лекарственных препаратов в сыворотке крови человека.
2 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Гибридные материалы на основе блоксополимеров в применении к прямому электрохимическому анализу нуклеиновых кислот и гемопротеинов
Результаты этапа: На втором этапе выполнения проекта (этап 2019 года) исследована диспергируемость углеродных наноматериалов (многостенных углеродных нанотрубок) в водных растворах (1) катионых амфифильных диблоксополимеров с варьируемым соотношением длин гидрофобного и ионогенного блоков на основе поли-н-бутилметакрилат-блок-полидиметиламиноэтилметакрилата; (2) анионных амфифильных диблоксополимеров с варьируемым соотношением длин гидрофобного и ионогенного блоков на основе полистирол-блок-полиакриловой кислоты; (3) полиамфолитных диблок- и привитых сополимеров на основе полидегидроаланина. Полученные водные дисперсии углеродных наноматериалов охарактеризованы методами оптической спектроскопии просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). С помощью полученных гомогенных, устойчивых на коллоидном уровне дисперсий углеродных наноматериалов проведена модифицикация коммерческих (печатных) планарных графитовых электродов, качество модификации исследовано методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Показано, что она позволяет значительно (до 10 раз) увеличивать электроактивную площадь поверхности электрода, что делает модифицированные электроды, обладающие подобным нанокомпозитным покрытием, перспективной платформой для количественного анализа биологически активных молекул. Отработан синтез золотых и серебряных наночастиц на задействованных в проекте амфифильных диблок- и привитых сополимерах как полимерных матрицах, который включает связывание металлосодержащих ионов или ионов металлов функциональными (ионогенными) группами сополимеров с последующим химическим восстановлением связанных ионов до металлических наночастиц под действием тетрагидробората натрия. Исследовано влияние соотношения мольных количеств ионогенных групп сополимеров и металлосодержащих ионов или ионов металлов, соотношения мольных количеств металлосодержащих ионов или ионов металлов и восстановителя, а также исходного рН среды на этот процесс. Формирование металлических наночастиц подтверждено методом оптической спектроскопии по появлению соответствующих полос поглощения поверхностного плазмонного резонанса. Методом лазерного микроэлектрофореза и динамического светорассеяния охарактеризованы заряд и гидродинамические размеры образующихся частиц металлополимерных гибридов. С помощью метода ПЭМ определены размеры металлических наночастиц, их распределения по размерам, а также выявлена локализация на полимерных матрицах. На полимерной матрице, представляющей собой бис-гидрофильный полиамфолитный диблоксополимер полидегидроаланина и полиэтиленоксида, химическим восстановлением тетрагидроборатом натрия смеси тетрахораурат-ионов и ионов серебра синтезированы биметаллические золотосеребряные наночастицы («наносплавы»). Методами ПЭМ, оптической спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии определены их характеристики. Синтезированы первые варианты тройных гибридов, путем диспергирования углеродных наноматериалов в водных растворах некоторых задействованных в проекте амфифильных сополимеров с последующим синтезом наночастиц серебра по разработанной и оптимизированной методике. Разработан метод электроанализа цитохрома с на планарных графитовых электродах, модифицированных углеродными наноматериалами, диспергированными в водных растворах анионных диблоксополимеров. Данный метод позволяет регистрировать полную «сигнатуру» или «электрохимический штрих-код» гемопротеина как в гемовой области (-0,3 – +0,3 В), так и в области электрохимического окисления аминокислот (+0,5 – +0,7 В) и порфиринового кольца (+0,8 В). Показано, что сопряжение углеродных материалов и наночастиц серебра в нанокомпозитных покрытиях электродов усиливает максимальную амплитуду сигналов окисления и восстановления гема цитохрома с на 250%. Исследована каталитическая активность цитохрома с на планарных графитовых электродах, модифицированных углеродными наноматериалами, диспергированными в водных растворах полиамфифильного диблоксополимера полистирол-блок-полидегидроаланина, на которые сверху дополнительно наносили слой ДНК. Такая система моделирует природное анионное микроокружение этого гемопротеина. Для этой системы в присутствии пероксида водорода как квазисубстрата продемонстрировано концентрационно зависимое усиление сигнала цитохрома с. Достигнутая чувствительность регистрации гемопротеина (1–2 мкМ) соответствует его концентрации в биопробах при апоптотических и некротических процессах. Это может быть использовано для детектирования этих процессов с использованием цитохрома с как маркера апоптоза или некроза в образцах клеточных лизатов, в плазме или сыворотке крови, при тестировании и поиске новых лекарственных препаратов. Проведено сравнительное тестирование электроокисления ДНК на планарных графитовых электродах, модифицированных дисперсиями углеродных наноматериалов в водных растворах различных катионных амфифильных диблоксополимеров и полиамфолитных диблок- и привитых сополимеров. Это позволило выявить наиболее эффективные модификации, для которых амплитуда анодного тока электроокисления как гуанина, так и аденина возрастает более чем на 300 % при одновременном смещении потенциала электроокисления остатков гуанина и аденина в сторону отрицательных значений на 50±10 мВ, что свидетельствует об улучшении электротранспортных свойств модифицированных электродов. Такое существенное повышение чувствительности может быть использовано для анализа ДНК в образцах плазмы крови, запланированное на третий этап выполнения проекта (этап 2020 года). В ходе оптимизации процесса измерения и анализа лекарственных средств были существенно улучшены электроаналитические характеристики детекции диклофенака, а также разработан метод количественного электрохимического анализа ацетаминофена на планарных графитовых электродах, модифицированных углеродными наноматериалами, диспергированными в водном растворе катионного амфифильного диблоксополимера поли-бутадиен-блок-полидиметиламиноэтилметакрилате. Показано, что окисление диклофенака и ацетаминофена на таких электродах происходит при потенциалах 0,53 ± 0,02 В и +0,35 ± 0,02 В (относительно референсного электрода сравнения Ag/AgCl), соответственно, позволяя регистрировать данные лекарственные соединения с низкими пределами обнаружения (35 нМ для диклофенака и 40 нМ для ацетаминофена). Продемонстрировано, что данная модификация электродов позволяет проводить одновременный независимый анализ каждого из лекарственных соединений с высокой разрешающей способностью в их смесях. Показана возможность электрохимического анализа ацетаминофена и диклофенака в сыворотке крови, что позволяет применить метод для количественной оценки этих лекарственных средств в биопробах при минимальной пробоподготовке.
3 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Гибридные материалы на основе блоксополимеров в применении к прямому электрохимическому анализу нуклеиновых кислот и гемопротеинов
Результаты этапа: Отработан синтез серебряных и золотых наночастиц с использованием в качестве полимерных матриц полистирол-блок-полидегидроаланина (ПС37-б-ПДГА46); полистирол-блок-полиакриловой кислоты (ПС100-б-ПАК230); полидегидроаланина, содержащего боковые эпоксиоктильные заместители (ПДГАEoct); линейного поли(диметиламиноэтилметакрилата) (ПДМАЭМА558); поли-1,2-бутадиен-блок-поли(диметиламиноэтилметакрилата) (ПБ290-б-ПДМАЭМА240); а также поли-н-бутилметакрилат-блок-полидиметиламиноэтилметакрилатов различного состава (ПнБМА40-б-ПДМАЭМА40, ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120, ПнБМА70-б-ПДМАЭМА120). При этом варьировали тип и концентрацию полимера, соотношение мольного количества заряженных групп полимерной цепи к мольному количеству металлосодержащих ионов, рН среды. Формирование металлических наночастиц подтверждено методом оптической спектроскопии по появлению соответствующих полос поглощения поверхностного плазмонного резонанса. Методом лазерного микроэлектрофореза и динамического светорассеяния охарактеризованы заряд и гидродинамические размеры образующихся частиц металлополимерных гибридов. С помощью метода просвечивающей электронной микроскопии определены размеры металлических наночастиц для отдельных препаратов, их распределения по размерам, а также выявлена локализация на полимерных матрицах. В основном препараты металлических наночастиц, стабилизированных полимерными цепями, представляли собой коллоидно-устойчивые взвеси достаточно мелких наночастиц с узким распределение по размерам. Средний размер металлических наночастиц не превышал 5 нм и не зависел от выбора полимерного объекта, условий синтеза, типа металлосодержащего иона и соотношения взаимодействующих компонентов. Исключение составили только препараты наночастиц серебра, синтезированные на ПС37-б-ПДГА46, характеризующиеся медленным оседанием в течение нескольких дней, что, по-видимому, связано с ограниченной растворимостью ПС37-б-ПДГА46 в водной среде. Таким образом, в результате проделанной работы на большом числе полимерных матриц (в том числе синтезированных в рамках проекта) удалось получить в основном стабильные хорошо охарактеризованные препараты золотых и серебряных наночастиц. Получены препараты коллоидно-устойчивых трехкомпонентных гибридов с использованием в качестве полимерных матриц ПС37-б-ПДГА46, ПДГАEoct и ПС100-б-ПАК230. Для этого сначала получали дисперсии МУНТ в водном растворе соответствующего полимера, а затем проводили синтез наночастиц серебра по стандартным методикам. Визуализация полученных трехкомпонентных гибридов методом просвечивающей электронной микроскопии подтвердила присутствие в образцах достаточно хорошо диспергированных углеродных нанотрубок, наночастиц серебра (золото-серебряных сплавов) и полимерной фазы. Наночастицы металлов были обнаружены также непосредственно вблизи поверхности углеродных нанотрубок, что подтверждало присутствие в образцах трехкомпонентных гибридных объектов: углеродных нанотрубок, покрытых слоем полимера, на ионогенных фрагментах которого происходило образование наночастиц металлов. Установлено, что на полимерных матрицах на основе ПДМАЭМА при определенных условиях (рН 7) и совместном присутствии солей золота и серебра может происходить независимый параллельный синтез чисто золотых и чисто серебряных наночастиц. Таким образом, показана возможность синтеза комбинированных препаратов наночастиц, содержащих совместно присутствующие чисто золотые и чисто серебряные наночастицы, стабилизированные полимерными цепями. Электроанализ цитохрома с протестирован на широком круге электродов с гибридными нанокомпозитными покрытиями, сформированными: (1) дисперсиями МУНТ, стабилизированными полимерами ПС37-б-ПДГА46, ПДГАEoct и ПС100-б-ПАК230; (2) металлополимерными гибридами (содержащими наночастицы серебра, синтезированные на вышеуказанных полимерах); (3) трехкомпонентными гибридами (дисперсиями МУНТ, стабилизированными вышеуказанными полимерами и дополнительно модифицированными наночастицами серебра) различного состава и/или нанесенные в различной последовательности. Для модификаций электродов на основе МУНТ/ПС37-б-ПДГА46 потенциалы пиков восстановления и окисления гема цитохрома с с лежат в области, характерной для этого гемопротеина и соответствующей 0 ± 100 мВ. Введение в состав электродной модификации дополнительного слоя AgНЧ/ПС37-б-ПДГА46 способствует улучшению электроаналитических характеристик модифицированных электродов и приводит повышению чувствительности сенсоров в 2 раза. Величины интенсивности пиков окисления/восстановления цитохрома с достигают максимального значения при концентрации МУНТ в дисперсии 1,5 мг/мл: интенсивность сигнала пика окисления возрастает в 1,5 раза, а интенсивность сигнала пика восстановления возрастает в 1,8 раз. Применение AgНЧ не только повышает чувствительность, но и в несколько раз увеличивает концентрацию электроактивного белка на поверхности электрода. Для наиболее перспективной модификации оценены аналитические параметры для количественного анализа цитохрома с в диапазоне концентраций 100 мкМ – 2 мМ. Для модификаций, содержащих тройной гибрид МУНТ/AgНЧ/ПС37-б-ПДГА46, обнаружено, что одновременное присутствие МУНТ и AgНЧ приводит к появлению на циклической вольтамперограмме дополнительных пиков большой интенсивности интерферирующих с пиками гема цитохрома с. Другие варианты модификаций электродов дисперсиями на основе ПДГАEoct и ПС100-б-ПАК230, а также двойными или тройными гибридами на их основе, содержащими наночастицы серебра, не позволил зарегистрировать характерные пики окисления и восстановления гема белка в области потенциалов -0,3 – +0,3 В. Установлено, что модификации электродов дисперсиями МУНТ в водных растворах катионных диблок-сополимеров: поли-н-бутилметакрилат-блок-полидиметиламиноэтил метакрилатов, ПнБМА40-б-ПДМАЭМА40, ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120 и ПнБМА70-б-ПДМАЭМА120, различающихся соотношением гидрофобного и ионогенного блоков и их длиной, обнаруживают исключительные электрохимические параметры окисления-восстановления ферро/феррицианида калия. Для всех вариантов модификаций обнаружено значительное увеличение откликов по токам, что указывает на улучшенные электрон-транспортные свойства и увеличение массопереноса. Кроме того, для всех вариантов наблюдается значительное увеличение электроактивной площади по сравнению с немодифицированным электродом. Наибольший 11-кратный эффект достигнут для модификации на основе ПнБМА70-б-ПДМАЭМА120. Еще больший 23-34-кратный эффект увеличения электроактивной площади электрода может быть достигнут при увеличении концентрации МУНТ в дисперсиях. Применение трех типов модификаций для прямого электрохимического анализа ДНК, а также оптимизация состава нанокомпозитных дисперсий по типу поликатионного диблок-сополимера и по содержанию МУНТ позволила для композиции МУНТ/ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120 повысить интенсивность максимальной амплитуды пика электроокисления гуанина в 6 раз, а интенсивность максимальной амплитуды пика электроокисления аденина в 3,5 раза. Сенсорные конструкции на основе МУНТ/ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120 были использованы для анализа ДНК в присутствии сыворотки крови. Обнаружено, что компоненты сыворотки при соответствующем разбавлении (1:9) не интерферировали в реакции электроокисления пуриновых гетероциклических оснований, что позволяет использовать модификацию для регистрации ДНК в биообъектах в диапазоне концентраций 50-1500 мкг/мл. Дальнейшая оптимизация по времени инкубации образцов ДНК на поверхности модифицированного электрода с 5 до 60 мин позволила повысить чувствительность анализа и сдвинуть диапазон регистрируемых концентраций ДНК для электроокисления гуанина до 5 мкг/мл, для электроокисления аденина до 1 мкг/мл. Сенсорные конструкции на основе МУНТ/ПнБМА40-б-ПДМАЭМА120 были использованы для анализа лейкоцитарной ДНК человека. Продемонстрировано, что соотношение сигналов электроокисления гуанина и аденина (Г/А) является индивидуальной сигнатурой различных образцов лейкоцитарной ДНК, выделенной их крови человека. Такой подход может иметь аналитическое и биомедицинское приложение. Параллельно для анализа пуриновых нуклеотидов в составе ДНК разработана сенсорная конструкция, получаемая модификацией электродов дисперсией МУНТ в водном растворе амфифильного катионного диблок-сополимера поли-1,2-бутадиен-блок-полидиметиламиноэтилметакрилата, ПБ290-б-ПДМАЭМА240. Модификация МУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240 была использована для исследования взаимодействия ДНК с рифампицином (РФ) и наноформой рифампицина (НРФ), полученной на основе фосфолипидной транспортной системы, для оценки эффективности данных лекарственных форм в отношении ДНК как мишени действия лекарственных препаратов. В частности, электроды, модифицированные стабильными дисперсиями МУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240 были использованы для сравнительного анализа взаимодействия РФ и НРФ (РФ, включенного в состав фосфолипидных наночастиц) с ДНК. Отличительной особенностью данной модификации являлась «инертность» по отношению к РФ и НРФ, то есть отсутствие собственных сигналов электроокисления РФ или НРФ в рабочем диапазоне концентраций. Анализ снижения интенсивности сигналов электроокисления гуанина и аденина ДНК после преинкубации с РФ/НРФ, регистрируемых на электродах, модифицированных МУНТ/ПБ290-б-ПДМАЭМА240, позволил классифицировать РФ как умеренно токсичный лекарственный препарат в концентрации до 400 мкМ, в то время как НРФ практически нетоксична при всех проанализированных концентрациях (25 - 600 мкМ). На основе экспериментально полученных параметров электроокисления пуриновых нуклеотидов в присутствии РФ или НРФ рассчитаны константы связывания Кв для комплексов ДНК/РФ и ДНК/НРФ индивидуально для гуанина и аденина. В отличие от спектральных методов исследования комплексообразования ДНК с лекарственными средствами, дающими только интегральный сигнал для пуриновых гетероциклических оснований, электроанализ ДНК позволяет зарегистрировать и выявить взаимодействия индивидуальных пуриновых гетероциклических оснований гуанина и аденина, что дает более полную информацию о природе и механизме биоаффинных взаимодействий. Так, полученные значения Кв для ДНК/РФ свидетельствуют о интеркаляционном типе взаимодействия в комплексе ДНК/РФ. Значения констант связывания ДНК с НРФ позволяют сделать предположение о смешанном интеркаляционно-электростатическом характере взаимодействия ДНК/НРФ. Кроме того, разработан «рифампицин-чувствительный» сенсор для количественного электрохимического анализа РФ с применением электродов с нанокомпозитным покрытием, получаемый их модификацией дисперсиями МУНТ в водном растворе полиионной жидкости поли-N-этилвинилимидазолий бромиде, (ПИЖ-Э). В аэробных условиях окисление РФ на электродах, модифицированных водной дисперсией МУНТ/ПИЖ-Э, происходит при потенциале +0,560 В (отн. Ag/AgCl) с дополнительной регистрацией «плеча» при потенциале +0,920 В; линейный диапазон определяемых концентраций РФ составил 35 мкМ – 700 мкM. Разработанный «рифампицин-чувствительный» сенсор может быть использован для количественного анализа РФ, в том числе в биологических образцах.

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".