Ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) решили задачу синтеза бесферментных катализаторов. Они предложили осаждать поверхность электрода (тест-полоски) палладием и серебром. Сенсоры с такими полосками будут точнее определять концентрацию глюкозы в крови, они долговечней, менее прихотливы к условиям хранения и, по предварительным подсчетам разработчиков, дешевле существующих аналогов с ферментами (на одну полоску требуются миллионные доли грамма металлов).

Исследование поддержал Российский научный фонд (проект № 20–13–00142). Статья с описанием метода послойного электрохимического осаждения опубликована в журнале Russian Chemical Bulletin. Это первое описание подобного метода в научной литературе.

«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 затем палладий», — рассказывает Андрей Охохонин, доцент кафедры аналитической химии УрФУ, руководитель исследовательской группы.

Метод послойного осаждения заключается в следующем. Электрод поочередно опускается в растворы соли серебра и соли палладия в разбавленной серной кислоте. В таком виде серебру и палладию до перехода в нерастворимое металлическое состояние не хватает одного и двух электронов соответственно. 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. Новую систему, утверждают разработчики, можно использовать при создании бесферментного электрокаталитического сенсора для определения глюкозы в цельной крови.

«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.

Справка

В современных глюкометрах используются сложные белковые соединения — ферменты глюкозооксидаза или глюкозодегидрогеназа, которые вырабатывают микроорганизмы. Ферменты закрепляются на рабочей чувствительной части тест-полоски (сенсора), куда подается капля крови. 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. Замена ферментов более стабильными и дешевыми катализаторами окисления удешевит глюкометры, продлит их срок годности. Среди возможных вариантов замены — палладий (обладает стабильностью и повышенной чувствительностью к глюкозе). Однако активность он проявляет только при предварительной обработке в насыщенном щелочном растворе, куда затем подают пробу крови. Это усложняет и замедляет процедуру анализа.

К настоящему времени разработан лишь один способ прямого анализа крови с помощью бесферментных катализаторов на основе наночастиц палладия. Но он не обеспечивает необходимой чувствительности системы и, следовательно, точности результатов анализа.

Каталитическая активность палладия усиливается в сочетании с серебром: два элемента, совместно нанесенные на электродную часть тест-полоски, улучшают каталитические свойства друг друга. Это повышает чувствительность анализа крови на содержание глюкозы. Однако существующие технологии создания таких соединений не позволяют полностью контролировать происходящие процессы. Таким образом, перед учеными стоит задача — синтез бесферментных катализаторов, которые позволят более точно и с меньшими финансовыми затратами определять концентрацию глюкозы в крови.