Российские ученые разработали биодатчик на основе синего пигмента берлинской лазури, который с точностью до 99% определяет уровни глюкозы и лактата в крови и поте. Определенные концентрации этих молекул могут указать на переутомление, а еще на такие болезни, как сахарный диабет и менингит. Предложенное устройство компактно и легко крепится к поверхности кожи, благодаря чему его можно использовать для непрерывного отслеживания состояния здоровья у спортсменов и пациентов с сахарным диабетом.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Sensors and Actuators, B: Chemical.

Профессиональные спортсмены, испытывающие значительные физические нагрузки, часто находятся под пристальным вниманием медиков, которые следят за их здоровьем. Состояние организма можно оценить по различным показателям, один из которых — органические молекулы, участвующие в метаболизме, то есть обмене веществ. Хорошими «маркерами» считаются глюкоза и лактат, поскольку уровень этих веществ значительно отклоняется от нормы, если человек подвергается слишком сильным физическим нагрузкам или болен.

Так, например, высокие уровни глюкозы и лактата в отсутствие каких-либо нагрузок могут указывать на диабет, менингит, гипоксию (недостаток кислорода) и сепсис, то есть заражение крови. Если же в покое показатели не отклоняются от нормы, но по мере тренировки, например у спортсменов, повышаются, это должно стать сигналом о том, что организму необходимы отдых и восстановление.

Чтобы в режиме реального времени контролировать уровни глюкозы и лактата в организме, существуют специальные датчики. При этом они измеряют концентрацию соответствующих соединений не напрямую, а фиксируют количество молекул перекиси водорода, образующихся при их окислении в крови. В связи с этим датчики должны присоединяться к кровеносным сосудам под поверхностью кожи. Ученые стремятся сделать ношение таких устройств безболезненным, избежав повреждения кожи и стенок сосудов.

Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) разработали биодатчик для отслеживания уровня глюкозы и лактата в человеческом поте, благодаря чему он неинвазивен и прост в использовании. За основу устройства авторы взяли электроды, покрытые наночастицами берлинской лазури — пигмента, входящего в состав синей художественной краски. Особенность этого соединения заключается в том, что оно чувствительно к перекиси водорода, благодаря чему с его помощью можно преобразовать химический сигнал о концентрации перекиси в электрический сигнал, поступающий к электроду.

Однако берлинская лазурь растворяется при действии гидроксильных ионов, которые присутствуют в человеческом организме и поте и образуются при восстановлении перекиси водорода. Чтобы избежать растворения пигмента, исследователи покрыли наночастицы защитным слоем гексацианоферрата никеля, который более стабилен к гидроксил-ионам.

Ученые экспериментально проверили чувствительность биодатчиков, поместив их в растворы глюкозы и лактата разных концентраций. Оказалось, что при любых концентрациях этих молекул, характерных для человеческого организма, устройство работало стабильно. Опыты с образцами человеческой крови и пота показали, что датчик определяет концентрации глюкозы и лактата в обеих жидкостях с точностью до 99%. Прибор передавал показания на специально разработанное для него приложение на смартфоне с помощью Bluetooth. Используемый в лаборатории образец отображал результат измерений в виде значения электрического тока, однако ученые планируют для удобства пользователей запрограммировать в него автоматически пересчет на показатели лактата и глюкозы. Благодаря этому человек сможет легко и быстро получить данные и интерпретировать их даже без участия врача.

Схема датчика для мониторинга уровней глюкозы и лактата в крови и поте. Источник: Елена Дабосс

Кроме того, авторы сравнили стабильность работы устройства на основе исключительно берлинской лазури с тем, частицы которого были покрыты защитным слоем гексацианоферрата никеля. Образцы имели одинаковую чувствительность, но последний работал до восьми раз дольше. При этом наиболее стабильными были датчики на основе частиц размером 50 нанометров, сопоставимых по величине с небольшими вирусами.

«Предложенные биодатчики стабильны и просты в использовании, благодаря чему с их помощью можно в режиме реального времени контролировать уровни лактата и глюкозы в крови и поте у спортсменов и пациентов с сахарным диабетом», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, и первый автор работы Елена Дабосс, старший научный сотрудник кафедры аналитической химии химического факультета МГУ.