Ученые химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова создали электрохимический сенсор на основе полимеров с молекулярными отпечатками для определения сахаров и гидроксикислот. Исследователи представили результаты своей работы в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.

Поддержка Газеты

Химики из лаборатории электрохимических методов химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова под руководством доктора химических наук, профессора Аркадия Карякина разработали неферментативный сенсор для определения концентрации глюкозы и молочной кислоты.

«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», — рассказал один из авторов исследования, младший научный сотрудник химического факультета МГУ 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», — прокомментировал 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», — сказала Вита Никитина.



Источник: http://www.msu.ru/science/main_themes/razrabotan-khimicheskiy-sensor.html

Фото: Портативный анализатор с сенсором. Источник: Вита Никитина


http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400517303003