Рецепторные и каталитические биомиметики на основе электроактивных полимеров для носимых биосенсорных устройствНИР

Receptor and catalytic biomimetics based on electroactive polymers for wearable biosensing devices

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 27 июля 2021 г.-30 июня 2022 г. Рецепторные и каталитические биомиметики на основе электроактивных полимеров для носимых биосенсорных устройств
Результаты этапа: В результате выполнения первого этапа Проекта синтезированы и комплексно исследованы (состав, структура, свойства) рецепторные и каталитические биомиметики на основе полианилинов и гексацианоферратов переходных металлов. В качестве «синтетических рецепторов» для электрохимических сенсоров, сочетающих в себе селективность аффинных взаимодействий с операционной стабильностью, предложено использовать боронат-замещенный полианилин. Оптимизированы условия электрополимеризации проводящих рецепторных покрытий, включая электрохимический режим и состав реакционной смеси. С целью упрощения производства миметиков и дальнейшей модификации ими электродов предложен проточный электросинтез наночастиц полианалина. Установлены зависимости сопротивления замещенного и незамещенного полианилинов на поверхности гребенчатых электродных структур в зависимости от потенциала и рН. Сопротивление боронат-замещенного полианилина не превышает 1000 Ω·м до рН 9, что на 2 порядка величины ниже, чем для незамещенного полимера. Широкий диапазон рН-стабильности полимера обусловлен изменением механизма редокс-превращения эмеральдин/лейкоэмеральдин. Тогда как потенциал этого перехода не зависит от рН для незамещенного полианилина, редокс-реакция для функционализированного полимера протекает с потерей одного протона на 2 электрона, что позволяет расширить область проводимости примерно на 0.3 В при рН 7. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) исследованы химические состояния атомов азота замещенного и незамещенного полианилинов в зависимости от рН среды. По мере увеличения рН содержание аминогрупп для обоих полимеров уменьшается, а иминогрупп возрастает. Однако содержание иминовых форм в самодопированном материале существенно ниже, а высокий уровень допирования (до 15% заряженных форм) сохраняется вплоть до рН 9 за счет высокого содержания протонированного амина. Сопряженность протонного допирования с редокс-процессами подтверждена спектроэлектрохимическими исследованиями. Методом РФЭС установлено, что положение линии B1s в спектре замещенного полианилина практически не меняется в зависимости от рН, что указывает на постоянство химического потенциала и окружения атома бора во всем диапазоне рН. В противовес традиционной точке зрения о том, что в замещенном полианилине отрицательно заряженный заместитель –B(OH)3‒ способствует локализации протонов в основной цепи, такая форма отсутствует до рН 11, а основная компонента соответствует –B(OH)2(OH2), что было подтверждено методом твердотельной 11B ЯМР спектроскопии (MQMAS и MAS). Исследование полимера при различных рН также показало координацию данной формы к аминогруппе с образованием –B(OH)2(H2O)..NH< и присутствие формы, координированной анионом–B(OH)2..A―..N+H2<, в кислых средах. В соответствии с данными спектроскопии ЯМР, РФЭС, вольтамперометрии и спектроскопии импеданса, предложена универсальная схема допирования рецепторного материала. Схема включает прямую атаку протоном остатка борной кислоты в кислой среде или присоединение молекулы воды в нейтральной/щелочной среде с последующим трансфером протона на атом азота и образованием цвиттер-иона. Остаток борной кислоты выступает при этом в качестве центра диссоциации воды, обеспечивая постоянное протонирование иминных/аминных мостиков полианилина, тем самым расширяя область рН-стабильности рецепторного материала и обеспечивая его применимость для анализа в физиологических средах. Предложенный механизм справедлив для описания процессов допирования полимера в присутствии полиолов и гидроксикислот. В присутствии глюкозы и лактата (основных метаболитов углеводного обмена), зарегистрировано увеличение содержания в полимере восстановленных и протонированных фрагментов. Даже при рН 11 степень допирования в присутствии глюкозы возрастает от 5 до 10 %. Показано, что диссоциация полиолов сопровождается дополнительным протонированием цепи и обратимым редокс-превращением полимера с уменьшением его сопротивления. Исследованы зависимости хроноамперометрических откликов на глюкозу и лактат в зависимости от рН и потенциала. Предложен механизм редокс-превращений метаболитов на рецепторном миметике, объясняющий природу электрохимических откликов и указывающий на потенциальную возможность протекания (электро)каталитических реакций. С целью увеличения селективности рецепторных миметиков к отдельным метаболитам углеводного обмена синтезированы покрытия на основе боронат-замещенного полианилина с молекулярными отпечатками лактата. Метод адаптирован для проточного синтеза полимерных наноструктур с молекулярными отпечатками лактата. Проведено сопоставительное исследование аналитических характеристик сенсоров на основе синтетических рецепторов в различных режимах (спектроскопия импеданса, хроноамперометрия, потенциометрия). Показано, что использование подходов темплатирования позволяет увеличить селективность сенсора к лактату в присутствии глюкозы практически в 5 раз (ɑ=45 для потенциометрического детектирования и ɑ=25 для режима хроноамперометрии). С целью замены ферментов и создания более стабильных/функциональных (био)сенсорных систем осуществлен химический синтез каталитических миметиков пероксидазы на основе гексацианоферрата железа. Миметики различного размера (согласно данным динамического светорассеяния и электронной микроскопии, от 35 до 250 нм) и пористости (согласно данным метода капиллярной конденсации азота) синтезированы путем восстановления комплекса феррицианида железа (III) пероксидом водорода/органическими гидропероксидами/мономерами проводящих полимеров. Изменение структуры миметика в ходе редокс-превращения берлинская лазурь/берлинский белый исследовали in situ с использованием синхротронного излучения. Установлено, что редокс-переходы с внедрением катионов щелочных элементов сопровождаются обратимым изменением параметра ячейки в пределах 1.012-1.020 нм (независимо от типа катиона), тогда как внедрение протона приводит к существенному падению емкости, сопровождающейся снижением максимального параметра ячейки до 1.014 нм. Потеря электроактивности миметика может быть приписана формированию мостиковых групп Fe-O-Fe в восстановительных условиях. С использованием подходов стационарной ферментативной кинетики проведено сопоставительное исследование каталитической активности фермента и его миметика в присутствии различных гидропероксидов и восстанавливающих субстратов. Установлено, что каталитические миметики на основе берлинской лазури не только активнее пероксидазы из корней хрена, но и более селективны по Н2О2. Для наночастиц среднего размера (d = 70 нм) коэффициенты селективности в присутствии органических гидропероксидов превышают таковые для фермента до 4 раз. В рамках создания миниатюрного электрохимического нательного монитора разработана микрокапиллярная система, сочетающая функции сбора пота с поверхности кожи около 6 см2, доставки пота к поверхности сенсора и его отвода за счет капиллярных сил. Показано, что для изготовления микрокапилляров предпочтительна технология фотополимерной 3D печати. Разработанная система обеспечивает непрерывный поток в условиях физиологических скоростей экскреции (в среднем 25 мкл∙см-2∙ч-1) и постоянное обновление анализируемого раствора у поверхности сенсора для флэш-мониторинга метаболитов. Изготовлен миниатюрный носимый контроллер, обеспечивающий сбор токового сигнала (АЦП 12 бит), обработку и передачу информации на устройство пользователя (смартфон) по протоколу Bluetooth Low Energy. Контроллер позволяет регистрировать ток короткого замыкания в широком диапазоне значений: от 0.01 до 12000 нА, обеспечивая высокое разрешение (до 3 пА) при регистрации малых токов. Изготовленный микроконтроллер обладает высокой производительностью (до 1000 измерений/c) и низким энергопотреблением (до 1мАч в режиме работы). При этом по точности контроллер лишь незначительно уступает по характеристикам приборам аналитического класса (пикоамперметр Keithley 6487).
2 1 июля 2022 г.-30 июня 2023 г. Рецепторные и каталитические биомиметики на основе электроактивных полимеров для носимых биосенсорных устройств
Результаты этапа:
3 1 июля 2023 г.-30 июня 2024 г. Рецепторные и каталитические биомиметики на основе электроактивных полимеров для носимых биосенсорных устройств
Результаты этапа:

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".