Загрози, на які щодня наражається людина при контакті з біологічними та хімічними речовинами, спонукають до розробки нових типів приладів для їх визначення. Альтернативою класичним методам аналітичної хімії є електрохімічні біосенсори; вже існують успішні розробки їх лабораторних прототипів, на ринок вийшла низка конкурентоспроможних біосенсорних приладів.
Як ідеться у дописі Інституту, останнє десятиліття стрімко зросла кількість розробок біосенсорів з використанням нанотехнологій. Проте більшість цих робіт є емпіричними і стосуються окремих типів перетворювачів та біосенсорів. Переважно розробники обирають тип наноматеріалу без ґрунтовного аналізу можливостей різних систем перетворення сигналу, специфічних особливостей перетворювачів та біоселективного матеріалу. Тому основні переваги біосенсорів не завжди використовуються з максимальною ефективністю.
Можливі різні шляхи використання наноматеріалів для покращення аналітичних характеристик біо- та хемосенсорів: наноматеріали можуть бути коіммобілізовані (тобто закріплені на твердому носії) разом із біологічною складовою, або ж інтегровані в поверхню перетворювача. Також деякі наночастинки можна самостійно застосовувати як селективний елемент хемосенсорів. Це забезпечує широкий спектр підходів до вдосконалення аналітичних характеристик біосенсорних пристроїв. Отже, залежно від поставлених задач можна контрольовано змінювати необхідні характеристики сенсорів, підібравши відповідний наноматеріал та розробивши процедуру його застосування.
Колектив наших науковців з відділу біомолекулярної електроніки ІМБГ дослідив особливості формування сучасних біоселективних елементів на основі різних наноматеріалівдля застосування в електрохімічних біосенсорах та сенсорних масивах із заданими та керованими властивостями.
Фотографії внизу ліворуч – різні типи цеолітів, отримані за допомогою скануючого електронного мікроскопу: наноцеоліт Бета (A), наноцеоліт L (силікаліт 80 нм (C), силікаліт 160 нм (D), силікаліт 450 нм (E), мезопористі кремнієві сфери (F), цеоліт L (G), цеоліт LTA-4 (H), цеоліт LTA-9 (I), цеоліт LTA-22 (J), цеоліт A (K), цеоліт Бета-30 (L), цеоліт Бета-40 (M), цеоліт Бета-50
Цей проєкт фінансово підтримала держава – колектив з десяти учених на чолі з професором, членом-кореспондентом НАН України Сергієм Дзядевичем (Sergei Dzyadevych) в 2020 р. отримав грант від Національний фонд досліджень України.
Основні завдання проєкту, які виконують учені ІМБГ:
- Застосування наноматеріалів різної природи для підвищення чутливості перетворювачів до цільової зміни параметрів аналізованого середовища (рН, провідність, концентрація електро-активних речовин, тощо) та їхньої стабільності.
- Використання наноматеріалів для покращення процедури іммобілізації ферментів залежно від типу перетворювача та методу аналізу (амперометричний, кондуктометричний, потенціометричний), а саме спрощення та уніфікація процедури, підвищення відтворюваності нанесення та стабільності.
- Застосування наноматеріалів для підвищення селективності біосенсорних елементів залежно від типу електрохімічних перетворювачів.
- Розробка підходів використання каліксаренів та цеолітів як селективних елементів хемосенсорів.
- Дослідження та оптимізація аналітичних характеристик біосенсорів на основі наноматеріалів для прямого аналізу субстратів з огляду на тип ферментів та прикладні завдання.
- Дослідження та оптимізація аналітичних характеристик ферментних біосенсорів на основі наноматеріалів для інгібіторного аналізу токсинів залежно від практичних прикладних завдань.
- Розробка узагальнених методик застосування наноматеріалів різної природи при розробці різноманітних електрохімічних біосенсорів та сенсорних масивів нового покоління.
Проведення такого системного теоретичного та експериментального аналізу роботи різних електрохімічних перетворювачів після модифікації іхньої поверхні наноматеріалами (цеоліти, каліксарени, вуглецеві та металеві наночастки, нанорозмірні додаткові шари) та іммобілізації низки ферментів (глюкозооксидаза, лактатоксидаза, уреаза, ацетилхолінестераза, бутирилхолінестераза, глутаматоксидаза, аргіназа, тощо) з використанням наночастинок дозволить покращити аналітичні характеристики біосенсорів.
Керована зміна властивостей отриманих біосенсорів та сенсорних масивів залежно від поставлених завдань, вибраних біологічно-чутливого елемента та перетворювача, а також типу реакції (прямий чи інгібіторний аналіз) дасть змогу розробляти біосенсори з заданими параметрами під конкретні задачі. Такий комплексний підхід в подальшому дасть змогу зекономити час, зусилля науковців та кошти при розробці нових типів портативних біосенсорних приладів.
На сьогодні за результатами роботи опубліковано три статті в журналах Electroanalysis (IF 3,2), Applied Nanoscience (IF 3,67) та Sensor Electronics and Microsystems Technologies.