Высокоэффективные энергоавтономные (био)сенсоры на основе гексацианоферратов переходных металлов для носимых устройствНИР

Advanced self-powered (bio)sensors based on transition metal hexacyanoferrates for wearable devices

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 22 марта 2018 г.-31 марта 2019 г. Высокоэффективные энергоавтономные (био)сенсоры на основе гексацианоферратов переходных металлов для носимых устройств
Результаты этапа: 1. Изготовление высокоэффективныех электрохимических (био)сенсоров на основе гексацианоферратов переходных металлов (берлинской лазури и берлинской лазури, стабилизированной гексацианоферратом никеля) и ферментов оксидаз (иммобилизованных в полимерные матрицы на их поверхности), функционирующих в режиме генерации мощности и обладающих чувствительностью и селективностью, достаточными для анализа биологических жидкостей (пота и крови). Для достижения поставленной задачи планируется установить взаимосвязь аналитических характеристик (главным образом, коэффициента чувствительности) с составом полимерных мембран на основе Нафион® и силоксана для иммобилизации ферментов (глюкозооксидазы и лактатоксидазы). А также исследовать влияние силы электролита на характеристики сенсоров. Ожидается, что в режиме генерации мощности коэффициенты чувствительности определения составят: пероксида водорода – не менее 0.4 А М-1•см-2, глюкозы – 0.04 А М-1•см-2, лактата – 0.15 А М-1•см-2; линейные диапазоны определяемых концентраций пероксида водорода: 5 10-7–1 10-3 М, глюкозы: 1 10-6–1 10-3 М, лактата: 1 10-6–1 10-3 М, лактата (с помощью сенсора для определения высоких концентраций): 1 10-4–5 10-2 М. 2. Исследование операционной стабильности (био)сенсоров в режиме генерации мощности в модельных условиях. Ожидается, что операционная стабильность при непрерывном определении 1 мМ пероксида водорода составит не менее 1 ч, стабильность сенсоров при хранении – не менее 1 года, биосенсоров – не менее 3 мес. 3. Исследование мощностных характеристик (био)сенсоров на основе гексацианоферратов переходных металлов, функционирующих в режиме генерации мощности. На основании полученных экспериментальных данных – разработка конфигурация электродной структуры/системы в целях достижения мощности, необходимой для питания маломощной электроники. 4. Исследование чувствительности сенсора и генерируемой им мощности в зависимости от электролита (главным образом, от концентрации хлорид-иона). Ожидается, что при физиологических содержаниях хлорид-иона в биологических жидкостях (от 10 до нескольких 100 мМ) и их колебаниях в пределах нормы (био)сенсоры будут демонстрировать наилучшие аналитические характеристики и обеспечат надежность определения метаболитов. 5. Исследование в режиме генерации мощности селективности сенсоров в присутствии основных восстановителей и окислителей, создающих паразитные сигналы при анализе биологических жидкостей (аскорбата, парацетамола, кислорода воздуха). Ожидается достичь селективности не ниже, чем для аналогичных сенсоров в режиме трехэлектродной схемы. 6. Изготовление (био)сенсоров, модифицированных капилляром (объемом не более 5 мкл), для минимизации объема исследуемой пробы. Изучение аналитических характеристики сенсоров с капилляром в режиме генерации мощности. Ожидается, что диапазон определяемых с помощью биосенсоров концентраций метаболитов будет перекрывать диапазон физиологических содержаний: глюкоза – 2-12 мМ, лактат – 5-80 мМ. 7. На основе результатов, полученных в проекте, планируется опубликовать статью в международном высокорейтинговом журнале (например, Analytical Chemistry, RSC Advances, Electroanalysis, Journal of Electroanalytical Chemistry и др.). 8. Результаты работы будут представлены на Всероссийских и Международных научных конференциях (например, Ломоносов-2018, 69th Annual Meeting of International Electrochemistry Society, International Symposium on Electroanalytical Chemistry и др.). 9. На основании результатов проекта планируется подать заявку на патент РФ (изобретение). 10. Планируется защита диссертации на соискание звания кандидата химических наук, включающей результаты проекта. В рамках тематики настоящего проекта также будут проводиться курсовые работы по аналитической и физической химии у студентов химического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова. Студенты выступят с докладами на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоносов-2018. 11. Определение глюкозы в неразбавленной крови с использованием биосенсоров на основе гексацианоферратов переходных металлов, снабженных капилляром, в режиме генерации мощности. Подтверждение результатов анализа независимым методом, установление правильности полученных результатов. 12. Определение глюкозы и/или лактата в неразбавленном поте с использованием биосенсоров на основе гексацианоферратов переходных металлов, снабженных капилляром, в режиме генерации мощности. Подтверждение результатов анализа независимым методом, установление правильности полученных результатов. 13. Интеграция (био)сенсоров на основе гексацианоферратов переходных металлов в лабораторные образцы мониторов гипоксии и уровня сахара в крови на основе потосборника. Осуществление детекции лактата и/или глюкозы в неразбавленном поте в режиме генерации мощности (с опорой на экспериментальные данные о коррелируемости концентраций глюкозы и лактата в крови и поте). 14. Апробация сенсоров в режиме генерации мощности для определения глюкозы и/или лактата в поте in situ с использованием лабораторных образцов мониторов гипоксии на основе потосборника. Установление правильности полученных результатов с помощью независимого метода. 15. Исследование операционной стабильности (био)сенсоров на основе гексацианоферратов переходных металлов в условиях анализа реального биологического образца, оценка возможности непрерывного контроля концентрации метаболитов (глюкозы и/или лактата) или многократного использования сенсора. 16. Разработка конфигурации электродной структуры, позволяющей осуществлять сенсором генерацию мощности в присутствии метаболита, достаточной для питания маломощной электроники. Оценка возможности интеграции сенсора в носимое устройство (например, в портативный анализатор пота). 17. На основе результатов, полученных в проекте, планируется опубликовать статью в международном высокорейтинговом журнале (например, RSC Advances, Electroanalysis, Journal of Electroanalytical Chemistry и др.). 18. Результаты работы будут представлены на Всероссийских и Международных научных конференциях (например, Ломоносов-2019, 70th Annual Meeting of International Electrochemistry Society, International Symposium on Electroanalytical Chemistry и др.). В рамках тематики настоящего проекта также будут проводиться курсовые работы по аналитической и физической химии у студентов химического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова. Студенты выступят с докладами на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоносов-2019.
2 1 апреля 2019 г.-30 апреля 2020 г. Высокоэффективные энергоавтономные (био)сенсоры на основе гексацианоферратов переходных металлов для носимых устройств
Результаты этапа: 1. Изготовлены высокоэффективные электрохимические (био)сенсоры на основе гексацианоферратов переходных металлов (берлинской лазури и берлинской лазури, стабилизированной гексацианоферратом никеля) и ферментов оксидаз (иммобилизованных в полимерные матрицы на их поверхности), функционирующих в режиме генерации мощности. Заложены основы массового производства сенсоров и биосенсоров на основе гексацианоферратов переходных металлов. В рамках настоящего Проекта впервые реализован подход к функционированию (био)сенсоров на основе берлинской лазури в режиме генерации мощности. В предложенном режиме короткое замыкание рабочего электрода и хлоридсеребряного электрода сравнения обеспечивает работу сенсора при оптимальном потенциале (около 0.0 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения) без потенциостата, при этом во внешней цепи генерируется ток, пропорциональный содержанию аналита (пероксида водорода / глюкозы / лактата). Помимо упрощения системы регистрации сигнала, предлагаемый подход позволяет сохранить высокие чувствительность и селективность (био)сенсоров, присущие им в режиме трехэлектродной схемы, и добиться увеличения соотношения сигнал/шум в 5-10 раз. Заложены основы массового производства сенсоров и биосенсоров на основе гексацианоферратов переходных металлов. В качестве основы электрохимических сенсоров в Проекте использованы гибкие планарные электродные структуры, изготавливаемые ООО «Русенс» (малое инновационное предприятие на базе лаборатории электрохимических методов химического факультета МГУ им. Ломоносова). Для модификации серии электродных структур предложены подходы химического синтеза. Для иммобилизации ферментов использованы методы физического удерживания путем включения в полимерные матрицы, наносимые на поверхность электрода из сред с высоким содержанием органического растворителя, пригодные для воспроизводимой модификации серии электродов. Для задач длительного мониторинга метаболитов или многократного использования (био)сенсоров без инактивации чувствительного слоя применен способ стабилизации электрокаталитического покрытия на основе берлинской лазури гексацианоферратом никеля. 2. Исследованы аналитические характеристики изготовленных биосенсоров в режиме генерации мощности. Показано, что разработанные (био)сенсоры обладают чувствительностью и селективностью, достаточными для анализа биологических жидкостей (например, пота и крови). Проведено сравнительное исследование аналитических характеристик идентичных сенсоров и биосенсоров в режиме гальванической ячейки (без внешнего питания, в режиме генерации мощности) и по классической трехэлектродной схеме (с потенциостатом). Показано, что аналитические характеристики (био)сенсоров в режиме генерации мощности (без внешнего питания) не только не уступают таковым для идентичных сенсоров, функционирующих по классической трехэлектродной схеме, но даже превосходят их. Значительное снижение шума в режиме генерации мощности позволяет достичь более низких пределов обнаружения аналита (для пероксидных сенсоров – 0.2 мкМ). В свою очередь, коэффициенты чувствительности для (био)сенсоров в режиме гальванической ячейки совпадают или немного превосходят таковые для идентичных сенсоров, функционирующих по трехэлектродной схеме. Особую важность для использования (био)сенсора на практике представляет его селективность. Специфичность биосенсора по отношению к анализируемому веществу достигается за счет использования соответствующего фермента в качестве биораспознающего элемента. Таким образом, селективность анализа с помощью биосенсоров первого поколения на основе оксидаз, главным образом, определяется селективностью трансдьюсера пероксида водорода – берлинской лазури. Показано, что токи восстановления пероксида водорода на несколько порядков превосходят токи восстановления эквимолярного количества кислорода воздуха, растворенного в анализируемом растворе. Таким образом, в режиме генерации мощности возможно осуществлять селективное определение пероксида водорода и метаболитов в присутствии кислорода воздуха (в том числе, в экскреторных жидкостях). Низкопотенциальное определение позволяет уменьшить мешающее влияние легко окисляемых веществ, зачастую присутствующих в биологических образцах, – в том числе парацетамола, наиболее мешающего восстановителя. Показано, что, как и в случае использования сенсора в режиме трехэлектродной схемы при потенциале 0.00 В, в режиме генерации мощности отклик сенсора на микромолярные концентрации пероксида водорода может быть замаскирован только более чем двадцатикратным избытком. Отклик сенсора на парацетамол в обоих режимах на порядок величины ниже, чем на аскорбат. Таким образом, использование сенсора в предлагаемом режиме генерации мощности позволяет осуществлять селективное определение пероксида водорода в присутствии легко окисляемых веществ. Итак, сенсоры и биосенсоры на основе берлинской лазури и ферментов оксидаз обладают высокой селективностью по отношению к анализируемому веществу в присутствии растворенного кислорода воздуха и восстановителей, содержащихся в экскреторных жидкостях или крови и способных генерировать паразитные сигналы – а значит, могут обеспечивать надежную регистрацию сигнала в составе носимых устройств. 3. Разработанные (био)сенсоры на основе гексацианоферратов переходных металлов интегрированы в проточные электроанализаторы wall-jet типа. Превалирующее большинство носимых электрохимических устройств для анализа биологических жидкостей и определения метаболитов представляют собой системы проточного типа. С целью дальнейшего использования в составе носимых электроаналитических устройств, разработанные (био)сенсоры на основе гексацианоферратов переходных металлов, функционирующие в режиме генерации мощности, интегрированы в проточные анализаторы. Показано, что при определенных условиях скорость нарастания сигнала и величина аналитического отклика для пероксидных сенсоров и глюкозных биосенсоров не только не уступают таковым для проточных (био)сенсоров в режиме трехэлектродной схемы, но даже превосходят их [Komkova M.A., et al. Prussian Blue based flow-through (bio)sensors in power generation mode: new horizons for electrochemical analyzers // Sensors and Actuators, B: Chemical, 2019, 292, pp. 284-288]. Исследованы аналитические характеристики (био)сенсоров в проточно-инжекционном режиме. Время единичного измерения с помощью проточного пероксидного сенсора в режиме генерации мощности не превышает 50 с, проточного глюкозного биосенсора – 100 с. Линейный диапазон определяемых концентраций H2O2 с помощью проточного сенсора на основе берлинской лазури в режиме генерации мощности охватывает почти 4 порядка величины: от 2·10-7 до 1·10-3 М, коэффициент чувствительности, рассчитанный как тангенс градуировочного графика составляет 0.59±0.04 А·М-1·см-2, что даже незначительно превышает таковой для идентичных сенсоров в режиме трехэлектродной схемы (0.53±0.04 А·М-1·см-2). Для глюкозных биосенсоров линейный диапазон определяемых концентраций: от 2·10-6 до 2·10-3 M, а коэффициент чувствительности в режиме генерации мощности – 0.021±0.003 А·М-1·см-2 (в режиме трехэлектродной схемы – 0.019±0.002 А·М-1·см-2). 4. Исследованы мощностные характеристики (био)сенсоров в режиме генерации мощности. Показана возможность создания полностью энергоавтономного носимого устройства-сигнализатора. Изучены мощностные характеристики (био)сенсоров на основе берлинской лазури, функционирующих без внешнего питания. Генерируемую (био)сенсорами на основе берлинской лазури в присутствии аналита мощность можно также рассматривать в качестве аналитического сигнала: максимальная мощность (био)сенсоров линейно зависит от концентрации анализируемого вещества: для пероксидных сенсоров – с коэффициентом 0.038 Вт·M-1·см-2, для глюкозных сенсоров – с коэффициентом 0.003 Вт·M-1·см-2. Показана возможность полностью энергоавтономного функционирования в режиме генерации мощности для сигнализаторной системы со светодиодной индикацией на основе батареи сенсоров. Мировой технический потенциал в сфере создания маломощных электронных устройств (например, печатной электроники), в дальнейшем позволит создать энергоавтономную систему на основе единичного электрохимического сенсора. 5. Исследована операционная стабильность (био)сенсоров в режиме генерации мощности в модельных растворах метаболитов и в условиях анализа реального биологического образца; осуществлена оценка возможности непрерывного контроля концентрации метаболитов или многократного использования разработанных (био)сенсоров. Установлено, что изготовленные (био)сенсоры, используемые в режиме генерации мощности, даже в условиях измерения сверхвысоких концентраций определяемого вещества, обладают высокой операционной стабильностью, достаточной для их использования в носимых устройствах. Показано, что, с одной стороны, задача операционной стабильности генерирующего мощность сенсора решается использованием стабилизированного электрокатализатора: сенсор на основе берлинской лазури, стабилизированной гексацианоферратом никеля, сохраняет 95% первоначального отклика в условиях непрерывного определения 1 мМ пероксида водорода в течение более 1 ч. С другой стороны, проблема расходования серебра в ходе реакции может быть эффективно устранена путем увеличения площади электрода сравнения. Операционная стабильность биосенсора определяется, в том числе, стабильностью биомолекулы-фермента. Для генерирующих мощность биосенсоров время сохранения 95% отклика в ходе непрерывного определения 5 мМ глюкозы составляет более 5 ч, 0.5 мМ лактата – 1 ч. Операционная стабильность (био)сенсоров в режиме генерации мощности позволяет использовать их для многократных измерений: 90 % первоначального отклика сохраняется после более 250 инжекций 0.1 мМ Н2О2 и 200 инжекций 5 мМ глюкозы. Возможность непрерывной детекции метаболитов в реальных биологических образцах в режиме генерации мощности продемонстрирована на примере непрерывного определения глюкозы (≈ 100 мкМ) в неразбавленном поте человека с помощью проточного глюкозного биосенсора. Разработанные (био)сенсоры стабильны при хранении: сенсоры для определения пероксида водорода сохраняют 95% первоначального отклика в ходе хранения при комнатной температуре в течение около 2 лет, а коэффициент чувствительности биосенсоров для определения глюкозы и лактата, хранящихся при 4°С в течение 1 года, изменяется в пределах ±(15)%. 6. Показана эффективность использования гальванических биосенсоров для определения метаболитов в биологических средах in vitro. На основе разработанных биосенсоров изготовлены тест-полоски, позволяющие осуществлять измерение в малых объемах биологических образцов (≈2 мкл). Показана линейная зависимость кулонометрического сигнала сенсора от концентрации глюкозы в модельных растворах в диапазоне, охватывающем физиологические содержания глюкозы в крови здорового человека. Показана принципиальная возможность использования разработанных тест-полосок для определения глюкозы в цельной крови человека in vitro. Для 20 тест-полосок коэффициент корреляции Пирсона с референсным методом составил 0.962. Разработанные тест-полоски позволяют корректно определять концентрацию глюкозы в микролитровых объемах цельной крови посредством генерации мощности и обладают потенциалом для задач мониторинга концентрации глюкозы в цельной крови человека. В таком режиме полоски могут быть использованы с помощью простейшего амперметра и более надежны, чем трехэлектродные сенсоры, позволяя минимизировать вероятность регистрации ложного сигнала или инактивации сенсора в результате попадания в капилляр полоски воздушного пузыря. 7. Осуществлена апробация сенсоров в режиме генерации мощности для определения глюкозы и/или лактата в поте in situ с использованием лабораторных образцов мониторов гипоксии на основе потосборника. Проведена апробация самозапитываемых биосенсоров, интегрированных в проточные системы на основе потосборников, для определения глюкозы и лактата в поте in situ. Разработанный проточный электроанализатор закрепляли на поверхности кожи человека. Предварительно проводили активацию потовой железы при помощи электрофореза с пилокарпином. Для изменения концентрации глюкозы в крови использовали клинически релевантную процедуру – глюкозотолерантный тест (ГТТ). Параллельно с непрерывной регистраций сигнала с помощью разработанного анализатора осуществляли периодический отбор проб пота для референтного измерения. Показано, что величина сигнала биосенсора, интегрированного в проточную ячейку-потосборник, коррелирует с концентрацией метаболита в поте, определенной с помощью референтного метода. Таким образом, разработанные в рамках проекта анализаторы применимы для количественной оценки и отслеживания динамики изменения содержания метаболитов в экскреторных жидкостях человека (в том числе поте) in situ. Сопоставление результатов, полученных при реализации с мировым уровнем Концепция создания сенсоров, функционирующих в режиме генерации мощности, сегодня приобрела особую актуальность. С появлением и распространением высокотехнологичных носимых устройств возникла проблема миниатюризации источников энергии, например, батареек, а также их замены в аналитическом устройстве или перезарядки. Одним из решений данной проблемы может стать отказ от внешних источников питания, когда сенсор или носимое устройство на его основе в присутствии анализируемого вещества генерируют энергию, достаточную для регистрации и передачи сигнала. Принцип генерации энергии в результате преобразования химической энергии в электрохимическую в результате протекания реакции с участием анализируемого вещества был впервые использован для задач электрохимической сенсорики Вильнером и Катцом еще в 2001 году [Katz E., Buckmann A.F., Willner I. Self-powered enzyme-based biosensors// Journal of American Chemical Society, 2001, vol. 123, pp. 10752-10753]. Исследования по данной тематике не утратили актуальности и сегодня [F. Conzuelo, A. Ruff, W. Schuhmann, Self-powered bioelectrochemical devices, Curr. Opin. Electrochem. 12 (2018) 156–163; M. Grattieri, S.D. Minteer, Self-powered biosensors, ACS Sensors 3 (2018) 44–53]. Однако для большинства из перечисленных в обзорах сенсоров материалы электродов подбирают таким образом, чтобы разница потенциалов между катодом и анодом была максимальной. Это позволяет увеличить генерируемую сенсором мощность, однако значительно сдвигает потенциал рабочего электрода от оптимального, заведомо снижая эффективность сенсора. Предложенный в рамках Проекта принцип использования высокоэффективных (био)сенсоров на основе берлинской лазури в режиме генерации мощности позволяет использовать их при оптимальном потенциале рабочего электрода. В отличие от известных, такой режим позволяет сохранить высокие чувствительность и селективность (био)сенсоров в присутствии кислорода воздуха и восстановителей (аскорбата, парацетамола), присущие им в режиме трехэлектродной схемы, а также обеспечивает более точное и правильное определение концентрации аналита за счет увеличения соотношения сигнал/шум почти на порядок. Некогда популярные системы неинвазивного мониторинга метаболитов в поте человека (Glucowatch (Cygnus Corp., США) или анализаторы на основе так называемых «электрохимических татуировок» [Wang J. et al., Tattoo-Based Noninvasive Glucose Monitoring: A Proof-of-Concept Study, Anal. Chem., 2015, vol. 87(1), pp. 394-398]) непригодны для задач отслеживания динамики изменения их концентраций, так как не предусматривают непрерывный ток экскреторной жидкости. В свою очередь, разработанные в рамках проекта биосенсоры могут быть интегрированы в проточные электроанализаторы и использованы для непрерывного мониторинга метаболитов. Так, в Проекте продемонстрирована принципиальная возможность непрерывного определения глюкозы/лактата и отслеживания динамики изменения их содержания в экскреторных жидкостях человека (на примере пота) in situ с помощью генерирующих мощность биосенсоров, интегрированных в проточные ячейки на основе потосборников. Такие устройства могут быть использованы для решения задач спортивной медицины и неинвазивной медицинской диагностики. Дальнейшее развитие исследования позволит сделать шаг в преодолении барьеров развития российского рынка высокотехнологичных носимых устройств и сигнализаторов. Методы и подходы, использованные при реализации Проекта (описать, уделив особое внимание степени оригинальности и новизны) В Проекте впервые реализован подход к использованию биосенсоров на основе берлинской лазури и ферментов оксидаз в режиме генерации мощности. Использование наиболее эффективных биосенсоров в новом режиме, позволяющем проводить анализ при оптимальном потенциале с помощью простейшего амперметра, с одной стороны, упростило систему регистрации сигнала, с другой – обеспечило десятикратное увеличение соотношения сигнал/шум. Для задач непрерывного мониторинга метаболитов разработанные биосенсоры были интегрированы в проточные системы анализа (ячейки wall-jet и анализаторы на основе потосборников) [Komkova M.A., Andreev E.A., Ibragimova O.A., Karyakin A.A., Prussian Blue based flow-through (bio)sensors in power generation mode: new horizons for electrochemical analyzers, Sensors and Actuators, B: Chemical, 2019, vol. 292, pp. 284-288]. Такой подход, в сочетании с возможностью регистрации сигнала в режиме генерации мощности, позволит создать компактное носимое устройство для неинвазивного мониторинга метаболитов. Задача длительного мониторинга или многократного использования биосенсора в проекте решена использованием стабилизированного электрокатализатора. При этом для модификации электродов использованы подходы химического синтеза, пригодные для массового производства сменных биосенсорных чипов (принцип ранее предложен руководителем Проекта [Sitnikova N.A., Borisova A.V., Komkova M.A., Karyakin A.A., Superstable Advanced Hydrogen Peroxide Transducer Based on Transition Metal Hexacyanoferrates, Analytical Chemistry, 2011, vol. 83(6), pp. 2359-2363]).

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".