Цивилизация
Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова впервые показали, что биосенсоры для определения глюкозы и лактата в крови могут работать по принципу топливных элементов. Этот подход позволит в будущем отказаться от внешних источников питания. Внедрение этого метода диагностики поможет быстро выявить у пациента различные заболевания, например диабет. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ), результаты работы опубликованы в журнале Analytical Chemistry.
Неинвазивная диагностика, во время которой врачи не используют иглы и различные хирургические инструменты, – одно из наиболее востребованных направлений медицинской диагностики. При таком способе диагностики кожные покровы и стенки кровеносных сосудов остаются нетронутыми.
Наиболее важные метаболиты (химические соединения, участвующие в обмене веществ) для медицинской диагностики – глюкоза и лактат. Определять концентрацию глюкозы в крови необходимо для выявления диабета. Уровень лактата в крови указывает, достаточно ли организм получает кислорода.
«Электрохимические сенсоры используют биологические материалы, чтобы «узнать» определенные молекулы. Для функционирования таких сенсоров необходимо использовать потенциостат (электронный прибор, контролирующий потенциал электрода). Мы предложили подход, позволяющий использовать сенсоры в энергетически автономном режиме (без потенциостата): сенсоры «включаются» только в присутствии анализируемого вещества, при этом генерируется ток, пропорциональный содержанию глюкозы или лактата. Возможность генерации сенсором мощности в присутствии анализируемого вещества в дальнейшем позволит интегрировать сенсор в энергетически автономные носимые устройства. Отсутствие необходимости в использовании источников питания перспективно для задач длительного мониторинга состояния больных и, что наиболее востребовано сегодня, для создания «умных» носимых устройств», – сообщила соавтор исследования и исполнитель гранта РНФ, аспирант химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Мария Комкова.
Ученые решили создать тест-системы (средства химического анализа) многоразового использования на основе биосенсоров, которые могли бы обнаружить концентрацию глюкозы и лактата в поте и крови человека. На биосенсоры предварительно наносится берлинская лазурь – синее красящее вещество, состоящее из соединений железа. Биосенсоры выдают информацию о присутствии метаболитов при помощи электрического сигнала.
Химики предложили подход, позволяющий быстро и эффективно применять сенсоры и биосенсоры на основе берлинской лазури. Они использовали электроды – электрические проводники – в режиме генерации мощности. Биосенсор устроен следующим образом: рабочий электрод соединен с хлоридсеребряным электродом (серебряной проволокой, покрытой хлоридом серебра) и помещен в раствор хлорида калия. Таким образом, используется установка не из трех, как раньше, а двух электродов, замкнутых через амперметр. Включенный в цепь амперметр измеряет генерируемый в присутствии анализируемого вещества ток. Этот подход позволяет увеличить точность исследований. Она измеряется отношением величины сигнала, определяющего количество глюкозы и лактата (полезного сигнала сенсора) к величине шума (разнообразных помех, которые прибор по ошибке принимает за небольшой, но полезный сигнал). Коротко это называется соотношением сигнал/шум. Если понижать уровень помех, то становится возможным распознавать более низкие концентрации анализируемых веществ, а значит, повысить предел их обнаружения сенсором. Использование сенсора в режиме генерации мощности не только значительно упрощает регистрацию сигнала с помощью амперметра, но и позволяет определять анализируемые вещества даже при малых концентрациях.
Тест-системы на основе сенсоров уже используются на практике, они позволяют быстро диагностировать заболевания и следить за состоянием пациента. Ученые работают над тем, чтобы можно было полностью отказаться от источников питания, интегрировав сенсор в маломощную технику. Кроме того, ученые планируют создать анализатор выдыхаемого человеком воздуха для обнаружения глюкозы в аэрозоле.
