ИСТИНА

Проект направлен на разработку нового направления, а именно фундаментальных основ создания ГКР-активных сенсорных систем на основе гибридных материалов для идентификации и определения маркеров окислительного стресса и антиоксидантного статуса без предварительной или минимальной пробоподготовки биообъектов.

The project aims to develop a new direction, namely, the fundamentals of SERS-active sensor systems to identify and subsequent detection of bioactive compounds - markers of oxidative stress and antioxidant status in various bio-objects without prior or minimal sample preparation. Raman spectroscopy is one of the most sensitive (detecting bioactive compounds at low concentrations (about nM) down to single molecules) and selective chemical analysis methods for identifying bioactive compounds in objects with the matrix of complex in some cases, variable composition. Commercial SERS platforms based on ordered noble metal nanostructures are available on the international and Russian markets. However, despite the apparent advantages of the presented sensor devices based on noble metal nanoparticles, to the present day, many unresolved fundamental problems hinder their active use in the practice of chemical analysis, namely: 1) low sensitivity and selectivity in the multiplex determination of analytes due to the mismatch between the wavelengths of the lasers used (green, red, IR, etc.) in commercially available portable spectrometers and the absorption bandwidth of the bioanalyte: critical biochemical markers of oxidative stress (OSA) and antioxidant status (AOS) are absorbed in the UV region; 2) interference due to fluorescence of matrix components in complex biological objects (blood plasma, urine and cell cultures), foodstuffs, dietary supplements (BDS). The fluorescent background is one of the reasons for the transition from relatively short-wave lasers (532, 633 nm) to long-wave lasers (785, 1024 nm), resulting in the improvement of signal/noise ratio but leading to a significant deterioration of analyte detection sensitivity. The multiplicity and instability of such markers in living systems under conditions of DCS development leads to the need for sensitive, selective, but simple, multiplexed, accurate and rapid methods of their identification and determination. Examples of such analytes would be markers of AOS and AOS: lipid hydroperoxides, malondialdehyde, bilirubin, bioflavonoids, and some biogenic amines. Information about the presence and content of such markers allows not only to assess the degree of ACS and the effectiveness of the body's defences in counteracting ACS but also to indirectly identify associated other diseases (for example, viral hepatitis in its jaundiced form in case of elevated levels of total bilirubin). This project will propose several integrated systematic approaches for the identification and detection of the above-mentioned bioactive compounds by GCI: 1) Development of hybrid sensor elements, each component of which will be specifically responsible for its role: gold and silver metal nanoparticles - for high identification limit, graphene/graphene oxide-based component - for increasing signal-to-noise ratio by quenching fluorescence from analyte/matrix of complex composition; biocompatible polymers - as a matrix for uniform distribution of noble metal particles by covalent cross-linking through functional groups (e.g., amino group) while ensuring highly efficient sorption of analytes of different polarity during ex vivo analysis; 2) selection of indicator systems for chemical transformation of the above analyte groups into "recognition" complexes, which will ensure conversion of uncoloured analyte molecules into compounds absorbing in the visible spectrum region. Thus, the new complex approach of "chemical design" proposed within the framework of this project will simultaneously shift the analyte absorption band close to the excitation laser wavelength (532, 633 nm) and open the door for the realization of conditions for resonant GCR to improve actual metrological characteristics (sensitivity, selectivity, the possibility of multiplex analysis) for each biochemical marker group concerning the matrix of a biological sample.

В рамках данного проекта для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) разработать гибридные сенсорные элементы, каждая из компонент которого будет направленно отвечать за свою роль: наночастицы металлов золота и серебра – за высокую чувствительность определения, компонента на основе графена/оксида графена– за улучшение отношения «сигнал/шум» путем тушения флуоресценции от аналита/матрицы сложного состава; биосовместимые полимеры – как матрица для равномерного распределения частиц благородных металлов путем ковалентной сшивки через функциональные группы (например, аминогруппу), при этом обеспечивающая высокоэффективную сорбцию аналитов разной полярности в процессе выполнения анализа ex vivo; 2) выбрать индикаторные системы для химического превращения указанных групп аналитов в «распознающие» комплексы, что обеспечит перевод неокрашенных молекул аналита в соединения, поглощающие в видимой области спектра. Таким образом, предлагаемый в рамках данного проекта новый комплексный подход “химического дизайна”, который одновременно позволит смещать полосу поглощения аналита близко к длине волны возбуждающего лазера (532, 633 нм), а также откроет возможности реализовать условия для резонансного ГКР для улучшения актуальных метрологических характеристик (чувствительности, селективности, возможности проведения мультиплексного анализа) разрабатываемых сенсорных систем под каждую группу биохимических маркеров с учетом матрицы биологического образца.

Накоплен большой опыт синтеза наночастиц серебра, оксида кремния и титана, а также синтеза новых двумерных материалов (графена и его производных, дисульфида молибдена) химическими, электрохимическими методами, а также газофазным методами синтеза. Сформирован опыт по созданию твердофазных сенсорных устройств и индикаторных систем для экологического мониторинга и контроля качества нефтепродуктов, а также фенолов на основе селективных «распознающих» комплексов, которые обеспечивают перевод неокрашенных молекул аналита в соединения, поглощающие в видимой области спектра и адаптированные под серийно выпускаемое оптическое оборудование – портативные спектрометры комбинационного рассеяния, функционирующих в матрицах сложного состава. Разрабатываются модифицированные полимерами наноструктурированные ГКР-сенсоры на основе синтезированных наночастиц благородных металлов (золота, серебра) с импрегнированными в них распознающими молекулами (индикаторными веществами, молекулами-рецепторами, ферментами). За 2019 год в результате исследований получены и изучены оптические пленки на основе природных полимера – хитозана, с импрегнированными в них распознающими молекулами (индикаторными веществами, молекулами-рецепторами, ферментами) [Nanotechnology 2020].

В рамках данного проекта будет предложен ряд комплексных систематических подходов для идентификации и последующего определения биологически активных соединений – маркеров окислительного стресса и антиоксидантного статуса в различных биообъектах без предварительной или минимальной пробоподготовки. Будет разработан гибридный сенсорный элемент, каждая из компонент которого будет направленно отвечать за свою роль: наночастицы металлов золота и серебра – за высокую чувствительность определения, компонента на основе графена/оксида графена– за улучшение отношения «сигнал/шум» путем тушения флуоресценции от аналита/матрицы сложного состава; биосовместимые полимеры – как матрица для равномерного распределения частиц благородных металлов путем ковалентной сшивки через функциональные группы (например, аминогруппу), при этом обеспечивающая высокоэффективную сорбцию аналитов разной полярности в процессе выполнения анализа ex vivo. Будет разработан набор индикаторных систем для химического превращения вышеуказанных биологически активных соединений в «распознающие» комплексы, что обеспечит перевод неокрашенных молекул аналита в соединения, поглощающие в видимой области спектра. По мнению авторов на сегодняшний день как на российском, так и международном рынках представлены эффективно работающее ГКР-сенсорные устройства на основе наноструктурированых металлических поверхностей, демонстрирующие высокий предел обнаружения. Данный проект нацелен на улучшение аналитического сигнала не поиском новых подходов к наноструктурированию металлических поверхностей, а с помощью создания гибридных сенсорных систем, в которых будет реализовано высоко эффективное тушение мешающей флуоресценции компонент реальных объектов, в том числе самих анализируемых соединений, и повышение чувствительности и селективности при мультиплексном определении аналитов переводом аналита в окрашенные соединения для его селективного определения/идентификации в матрицах сложного состава путем обеспечения резонансного ГКР. Решение поставленных задач позволит вместо используемого сегодня перехода от относительно коротковолновых лазеров (532, 633 нм) к длинноволновым (785, 1024 нм), работать на зеленом и красных лазерах, оставляя максимально возможной чувствительность определения аналитов предлагаемым в рамках проекта методом. Результаты проекта будут доложены на Всероссийских и международных конференциях, опубликованы в журналах из списка ВАК. Все получаемые результаты будут новыми и патентоспособными.