Разработка подхода к созданию мультисенсорных устройств на основе органических электролитических транзисторов для определения широкого спектра токсинов и патогенов в жидких средах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-73-00103

НазваниеРазработка подхода к созданию мультисенсорных устройств на основе органических электролитических транзисторов для определения широкого спектра токсинов и патогенов в жидких средах

Руководитель Агина Елена Валериевна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт синтетических полимерных материалов им.Н.С.Ениколопова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-302 - Структура и свойства полимеров, многокомпонентных полимерных систем

Ключевые слова органическая электроника, жидкостные сенсоры, органические электролитические транзисторы, аптамеры, биораспознающие самоорганизующиеся слои, монослои, пленки Ленгмюра-Блоджетт, вирусы, токсины, патогены

Код ГРНТИ31.25.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен разработке технологичного подхода к созданию мультисенсорных устройств на основе органических электролитических транзисторов, способных селективно обнаруживать и определять содержание широкого спектра токсинов и патогенов в составе жидких, в т.ч. биологических сред. Обнаружение токсинов и патогенов в жидких средах, включая биологические и среды с высокой ионной силой – одна из важнейших научных задач, направленных на обеспечение безопасности населения, предупреждение распространения социально опасных заболеваний, а также противодействия биотерроризму. Существующие методы обнаружения и определения содержания токсинов и патогенов, с одной стороны, обладают высокой чувствительностью и точностью, с другой - требуют наличия дорогостоящего оборудования, специально подготовленной лаборатории и обученного персонала. Таким образом, чрезвычайно востребованными являются портативные, недорогие, простые в использовании мультисенсорные устройства, не требующие флуоресцентных меток, обладающие быстрым откликом, способные стабильно работать в большом диапазоне жидких сред с различными ионными силами и определять широкий спектр токсинов и патогенов при помощи одного сенсорного устройства. Применение таких устройств поможет обеспечить биоанализ в местности, удаленной от аналитических лабораторий, в т.ч. обнаруживать различные токсины и патогены в окружающей среде, включая источники питьевой воды и сточные воды, а также значительно снизить стоимость и повысить скорость такого анализа. Предлагаемый подход заключается в использовании в качестве мультисенсорного устройства массива единичных ОЭТ, расположенных на одной подложке, поверхность каждого из которых будет селективно модифицирована соответствующими аптамерами, настроенными на распознавание того или иного токсина или патогена. При нанесении на подложку капли анализируемой жидкости, определяемый аналит, при его наличии, будет селективно связываться с ОЭТ, покрытым настроенным на этот аналит аптамером, в результате чего электрический отклик данного ОЭТ изменится, и это позволит детектировать присутствие указанного аналита в анализируемой жидкой среде. К настоящему моменту опубликовано много работ по созданию единичных сенсоров на основе органических электролитических транзисторов (ОЭТ) (в т.ч. исследовательским коллективом предлагаемого проекта), которые представляют базовую платформу для разрабатываемого мультисенсорного устройства, а также сенсоров разного типа с использованием аптамеров, которые будут играть роль селективных распознающих элементов на широкий спектр биоаналитов. Основным достоинством ОЭТ является очень высокая чувствительность при определении молекул в составе жидких сред (вплоть до аттомолярных концентраций), а преимущество аптамеров заключается в возможности их целенаправленного химического синтеза с введением якорных групп для обеспечения специфического взаимодействия с конкретными мишенями, что позволит концентрировать мишени на поверхности транзистора в условиях работы со сложными смесями биомолекул. Химический синтез аптамеров существенно снижает стоимость конечного устройства по сравнению с сенсорами, использующими антитела, а также позволяет подобрать аптамеры к опасным токсинам, на которые сложно получить антитела. Предлагаемый подход, объединяющий использование ОЭТ и распознающего слоя на основе аптамеров в одном мультисенсорном устройстве является новым, ранее не опубликованным в доступной литературе, в т.ч. патентной и соответствует мировым тенденциям в биосенсорике. Достижимость поставленной задачи обусловлена двумя факторами: принципиальной фундаментальной возможностью создания таких систем, а также большим опытом исследовательского коллектива по созданию портативных сенсорных устройств, в т.ч. уже нашедших свое практическое применение. Имеющийся у коллектива научный задел, по нашему мнению, позволяет оценить шансы на получение заявленных в проекте результатов как очень высокие.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пойманова Е.Ю., Завьялова Е.Г., Кретова Е.А., Абрамов А.А., Труль А.А., Борщев О.В., Кешек А.К., Пономаренко С.А., Агина Е.В. Quantitative Detection of the Influenza a Virus by an EGOFET-Based Portable Device Chemosensors, 11, 8, 464 (год публикации - 2023)
10.3390/chemosensors11080464

2. Кулешов Б.С., Завьялова Е.Г., Пойманова Е.Ю., Абрамов А.А., Пономаренко С.А., Агина Е.В. Мультисенсоры на основе ОПТЭЗ с аптамерами в качестве узнающих элементов: современное состояние Успехи химии, Russian Chemical Reviews. 2024. Vol. 93. No. 4. RCR5116 (год публикации - 2024)
10.59761/RCR5116

3. Р. Алиева, А. Кешек, Т. Зацепин, В. Орлов, А. Аралов, Е. Завьялова Kinetics of i-motif folding within the duplex context Biophysical Chemistry, Biophysical Chemistry, 316 (2025), 107350 (год публикации - 2025)
10.1016/j.bpc.2024.107350

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках выполнения проекта подобраны и исследованы аптамеры к тяжелым металлам (Pb2+ и Hg2+), представляющим угрозу для экологических сообществ и здоровья человека при их нахождении в составе окружающей среды. Проведено сравнение свойств аптамеров, синтезированных для одной мишени по таким параметрам, как положение биотина в последовательности, афинность и специфичности к мишени. Методом изотермической калориметрии (ИТК) определены константы ассоциации комплексов аптамер-катион металла и доказана специфичность аптамеров. Проверена возможность их использования в средах с высоким содержанием солей натрия (например, в соленых водах). Спектральными методами доказано, что структура аптамеров стабильна и не зависит от сайта введения модификации. Проведена оптимизация портативного измерительного устройства для сбора откликов с сенсоров на основе органических полевых транзисторов с электролитическим затвором (ОПТЭЗ-сенсоров), позволяющего проводить практические измерения ОПТЭЗ в проточном режиме в т.ч. в ситуации, когда один из транзисторов на чипе вышел из строя. Разработана гидравлическая система забора и подачи пробы на основе перистальтического насоса, позволившая уменьшить габариты устройства и паразитный объем трубок, а также обеспечить возможность интеграции системы в единое устройство. В достаточных количествах синтезированы и полностью охарактеризованы необходимые для изготовления ОПТЭЗ-биосенсоров полупроводниковый материал на основе диоктилзамещенного бензотиенобензотиофена и материал, функционализированный биотином. Подобраны условия изготовления массива транзисторов на одной подложке для мультисенсорного чипа, включающие в себя оптимизацию методов изготовления электродов и нанесения полупроводникового и биорецепторного слоя ОПТЭЗ. Разработан и успешно продемонстрирован универсальный подход к изготовлению многоразовых ОПТЭЗ-аптасенсоров с использованием полимерных трековых мембран в качестве дешевого одноразового элемента для создания биораспознающего слоя. Определен наиболее подходящий размер пор трековых мембран, достаточный для проникновения вирусных частиц и их захвата вблизи токопроводящего слоя ОПТЭЗ. Чувствительность изготовленного аптасенсора на основе ОПТЭЗ к вирусу гриппа А оказалась сопоставимой с одноразовыми биосенсорами на основе ОПТЭЗ, у которых биораспознающий слой размещен непосредственно на полупроводниковом слое. Предел обнаружения изготовленного устройства был определен равным 8·104 ВЧ/мл, что превосходит тест-системы экспресс-анализа на основе антител (1*106-4*108 ВЧ/мл), но уступает методу ПЦР (3*102-1,2*103 ВЧ/мл). Показана возможность мультитаргетного детектирования с использованием ОПТЭЗ-аптасенсоров на основе аптамера, образующего структуру i-мотива. Особенность структуры данного аптамера позволяет при варьировании рН обнаруживать разные по своей природе аналиты за счет одного узнающего элемента. Обнаружено, что устройства на основе аптамера i-мотив обладают чувствительностью к вирусу гриппа А при рН=6 с пределом обнаружения 105 ВЧ/мл и к катионам Ag+ при рН 7,3 с пределом обнаружения 6 нг/мл. Измеренная чувствительность к рН в заданном диапазоне оказалась в 10 раз выше ранее опубликованной в работе для немодифицированного аптамером ОПТЭЗ. Разработанные подходы открывают путь к простому изготовлению универсальных миниатюрных жидкостных биосенсоров, для быстрого неинвазивного обнаружения широкого спектра аналитов, распознаваемых аптамерами, во внегоспитальных условиях без использования дорогостоящего оборудования.

Публикации