Китайские ученые создали и протестировали на добровольцах электрохимический сенсор для анализа пота из материала на основе шелковых волокон. С помощью нового устройства ученые смогли определить в модельных растворах концентрации шести биомаркеров: глюкозы, лактата, аскорбиновой и мочевой кислот, ионов калия и натрия. На добровольцах ученые проверили способность прибора определять только глюкозу. Гибкий датчик смог проработать почти без потери высокой чувствительности и хорошей селективности после нескольких циклов сгибания, и даже после хранения больше месяца. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Развитие болезни и состояние организма часто можно определить по содержанию биомаркеров в крови. Однако анализ крови осложнен необходимостью протыкать кожу и наличием множества мешающих компонентов, поэтому ученые активно развивают методы неинвазивного анализа таких биологических жидкостей, как слюна или пот.
Сенсорные устройства для анализа пота могут определять его компоненты по изменению окраски (колориметрические сенсоры), с помощью электрохимических процессов, а также флуоресцентными методами. Чаще всего создают электрохимические сенсоры в силу их высокой чувствительности, селективности, быстроты отклика и хорошей сочетаемости с материалами. Однако при одновременном определении нескольких метаболитов эти характеристики обычно снижаются.
Вэнья Хэ (Wenya He) с коллегами из Университета Цинхуа создали и протестировали на добровольцах устройство, которое состоит из шести электрохимических сенсоров на основе волокон шелка с добавлением наночастиц графита, допированных атомами азота, для одновременного определения метаболитов в поте.
Плетеная иерархичная и пористая структура шелково-графитовой ткани способствует эффективному транспорту электронов в ней и легко доступна для реагента. Более того, материал хорошо смачивается водой, позволяя веществу быстро достигать электрода. Частицы графита, допированного атомами азота, обеспечивали хорошую проводимость и наличие множества активных центров.
Анализ пота с помощью сенсоров на основе шелковых волокон с частицами графита, обогащенного азотом
Wenya He et al. / Science Advances, 2019
Механизм работы каждого из сенсоров
Wenya He et al. / Science Advances, 2019
Сенсоры реагировали на содержание аскорбиновой и мочевой кислот, определяли их концентрацию по току, возникающему в процессе окисления прямо на электроде. Глюкозу и лактат амперометрические сенсоры регистрировали по количеству пероксида водорода, выработанного в ферментативном окислительно-восстановительном процессе, а содержание ионов калия и натрия определяли датчики с ион-селективными мембранами.
Сравнивая сигнал от взаимодействия целевой молекулы с сигналами от других веществ, авторы не выявили заметного их наложения, что показывает высокую селективность сенсоров. А после нескольких циклов сгибания и разгибания, и даже по прошествии четырех недель, сенсорные свойства ухудшились незначительно. Авторы считают, что такую стабильность обеспечивает структура наночастиц графита в шелковых нитях.
Механическиие деформации и хранение в течение четырех недель незначительно ухудшили свойства устройства
Wenya He et al. / Science Advances, 2019
Схема работы устройства для анализа пота (А), фотография эксперимента на добровольце (В) и сравнение данных, полученных сенсором с данными хроматографического анализа
Wenya He et al. / Science Advances, 2019
Ученые соединили полимерную пленку с электродами с узлом накопления и передачи сигнала и проверили устройство на определение концентрации глюкозы на добровольцах, которые занимались на велотренажере. Результаты анализа поступали на телефон по беспроводной связи. Концентрации глюкозы, полученные сенсором, согласовывались с данными более точного хроматографического анализа.
