Российские ученые создали химический сенсор из материалов, обладающих молекулярной памятью
Химики из лаборатории электрохимических методов МГУ имени М.В. Ломоносова под руководством доктора химических наук, профессора Аркадия Карякина разработали неферментативный сенсор для определения концентрации глюкозы и молочной кислоты. Исследователи представили результаты своей работы в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.
«Многие слышали о глюкометрах — приборах для определения глюкозы в крови. По принципу работы большинство из них являются электрохимическими: концентрация глюкозы измеряется по величине тока, регистрируемого с помощью ферментного электрода — биосенсора, который прилагается к прибору в виде тест-полоски. Однако использование ферментов для химического распознавания интересующих веществ (например, для глюкозы используют фермент глюкозоксидазу) в подобных устройствах имеет свои недостатки, в основном связанные с низкой стабильностью ферментов и необходимостью соблюдения особых условий хранения и эксплуатации, а также одноразовостью использования биосенсора», рассказывает один из авторов исследования, младший научный сотрудник химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Вита Никитина.
В работе химиков из МГУ речь идет об альтернативных устройствах, в которых не применяются ферменты. Сенсор, разработанный учеными, представляет собой электрод, модифицированный тонким слоем полимера. Такие сенсоры не только просты в изготовлении, но также являются более стабильными в работе и при хранении. Кроме того, реагенты для их изготовления на несколько порядков дешевле ферментов.
«В структуре полимера, который мы синтезировали на поверхности электрода, содержатся функциональные группы — борные кислоты, способные осуществлять распознавание таких распространенных низкомолекулярных соединений, как сахара (глюкоза, фруктоза) и гидроксикислоты (молочная, винная кислоты). В работе мы показали применение наших сенсоров для обнаружения этих веществ. Сигнал, генерируемый сенсором, как и в случае ферментных электродов, регистрируется электрохимически, но, в отличие от амперометрических глюкометров, в основе работы нашего устройства лежит другой принцип — изменение проводимости полимера», комментирует автор исследования.
Получение электропроводящего полимерного покрытия на поверхности электродов является нетривиальной задачей, поэтому важным достижением работы ученых была разработка и тщательная оптимизация условий и параметров электрополимеризации.
Синтез полимера осуществлялся под действием тока, протекающего через рабочий электрод, помещенный в электрохимическую ячейку с раствором мономера. В результате этого электрохимического процесса полимер, нерастворимый в водной среде, оказывался нанесенным на поверхность электрода.
Химики синтезировали полимер методом молекулярного импринтинга, при котором в материале формируют особые участки (отпечатки), распознающие только те молекулы, которые использовали в качестве шаблонов при синтезе полимера. Такие материалы, обладающие молекулярной памятью, могут применяться в качестве чувствительного слоя химических сенсоров, предназначенных для обнаружения определенных веществ. Электрохимическую полимеризацию замещенного анилина проводили в присутствии дополнительных молекул-шаблонов — гидроксикислот и сахаров. После полимеризации эти молекулы были удалены из матрицы полимера, однако в его трехмерной структуре остались полости, так называемые молекулярные отпечатки, комплементарные по форме, размерам и ориентации функциональных групп этим молекулам-шаблонам. Этот эффект, называемый молекулярной памятью полимера, позволяет материалу распознавать вещества, которые использовались в качестве шаблонов.
Таким образом, ученые получили химический сенсор, который представляет собой электрод, покрытый замещенным полианилином с молекулярными отпечатками. Для тестирования сенсора, исследователи поместили его в электрохимическую ячейку, в которой находился анализируемый образец. Если в анализируемом образце присутствовали сахара или гидроксикислоты, то борнокислые группы полимера взаимодействовали с ними, что приводило к увеличению проводимости полимера, которая регистрировалась методом спектроскопии электрохимического импеданса.
«Мы показали, что на основе разработанных сенсоров с заданной селективностью возможно создавать мультисенсорные системы, позволяющие контролировать концентрацию различных веществ в биохимических процессах. Такие сенсоры можно будет применять для обнаружения высокомолекулярных веществ и даже цельных клеток, имеющих в своем составе структурные фрагменты сахаров или гидроксикислот», говорит Вита Никитина.