Измерение концентрации глюкозы в крови станет проще и дешевле

12:01, 6 августа 2021

Этому способствуют прорывные исследования химиков университета

Исследовательскую группу возглавляет Андрей Охохонин. Фото: Илья Сафаров.

Ученые Уральского федерального университета решили задачу синтеза бесферментных катализаторов для более точного и дешевого определения концентрации глюкозы в крови. Предложенное решение заключается в совместном послойном электрохимическом осаждении палладия и серебра на поверхности электрода (тест-полоски). Статью о работе соавторы опубликовали в Russian Chemical Bulletin. Это первое описание в научной литературе метода послойного осаждения палладия и серебра.

«Мы использовали для осаждения напечатанный электрод — миниатюрную подложку с нанесенной на нее суспензией многостенных, то есть вставленных друг в друга, углеродных нанотрубок. Вода из суспензии, нанесенной на электрод, испаряется, а нанотрубки остаются на электроде, таким образом, увеличивая его удельную поверхность. Затем на модифицированную поверхность электрода мы несколько раз попеременно осаждали сначала серебро, а потом палладий», — рассказывает Андрей Охохонин, доцент кафедры аналитической химии УрФУ, руководитель исследовательской группы.

Авторы статьи предложили новаторский способ послойного осаждения серебра и палладия. Электрод поочередно опускается в растворы соли серебра AgNO3 и соли палладия K2PdCl4 в разбавленной серной кислоте. В таком виде серебру и палладию до перехода в нерастворимое металлическое состояние не хватает, соответственно, одного и двух электронов. Помещая электрод в раствор, на него подают электрический ток. Ток восстанавливает металлы, и это приводит к образованию на поверхности электрода твердых частиц. Операция повторяется четыре раза.

«Такая методика еще не применялась, она оказалась эффективной. Полученный новый материал обладает значительной каталитической активностью в электрохимическом окислении глюкозы. При этом, в отличие от аналогов, реакция окисления эффективно протекает в нейтральной среде фосфатного буферного раствора, которая соответствует кислотности крови человека. Другие подобные системы либо заметно менее чувствительны к глюкозе, либо работают в щелочной среде и предусматривают дополнительный этап разведения проб крови, в определенных случаях в тысячу раз. Все это усложняет процедуры и снижает достоверность результатов анализа», — подчеркивает Андрей Охохонин.

По мнению разработчиков, уникальные характеристики полученной системы открывают широкие перспективы ее практического применения в создании бесферментного электрокаталитического сенсора для определения глюкозы в цельной крови. Исследования поддержал Российский научный фонд (проект № 20-13-00142).

Справка

Постоянный мониторинг уровня глюкозы в крови играет ключевую роль в современной терапии диабета — одного из наиболее распространенных заболеваний человечества. В проведении анализа концентрации глюкозы в крови с помощью глюкометров используются сложные белковые соединения — ферменты глюкозооксидаза или глюкозодегидрогеназа, которые вырабатываются микроорганизмами. Ферменты закрепляются на рабочей чувствительной части тест-полоски (сенсора), куда подается капля крови. Будучи биологическими катализаторами, ферменты обеспечивают протекание реакции окисления глюкозы, глюкометр фиксирует реакцию и переводит результат в цифровое выражение. Нормальным для взрослых людей является содержание глюкозы в крови, соответствующее 5,5-6,5 ммоль/л.

Тест-системы, основанные на применении ферментов, широко распространены, однако обладают рядом недостатков. Поскольку ферменты имеют белковую природу и разрушаются под тепловым или световым воздействием, срок их жизни ограничен. Поэтому производство ферментов микроорганизмами — процесс постоянно воспроизводящийся и дорогостоящий. Это сказывается на стоимости и доступности сенсоров. Решение задачи их удешевления — в использовании вместо ферментов более стабильных и дешевых катализаторов окисления не ферментативного, а синтетического происхождения.

Наука в этом качестве рассматривает, в частности, наночастицы палладия — металла из группы благородных.

К достоинствам палладиевых наночастиц относят в том числе необходимую стабильность и повышенную чувствительность к глюкозе. Вместе с тем значительную каталитическую активность они проявляют только при предварительной обработке в насыщенном щелочном растворе, куда затем подают пробу крови. А это усложняет и замедляет процедуру анализа. К настоящему времени разработан лишь один способ прямого анализа крови с помощью бесферментных катализаторов на основе наночастиц палладия и в нейтральной среде, по составу близкой к физиологическим свойствам крови. Однако низкая концентрация наночастиц на поверхности электрода не обеспечивает необходимой чувствительности системы, а значит — точности результатов анализа.

Известно, что каталитическая активность палладия усиливается в сочетании с серебром: два элемента, совместно нанесенные на электродную часть тест-полоски, улучшают каталитические свойства друг друга, что повышает чувствительность анализа крови на содержание глюкозы. Но существующие технологии создания таких соединений не позволяют полностью контролировать происходящие процессы.

Таким образом, насущной задачей является синтез бесферментных катализаторов для более точного и дешевого определения концентрации глюкозы в крови.