Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Кинетика реакций, катализируемых нанозимами различного размера (от 32 до 220 нм) на основе каталитически синтезированной берлинской лазури (БЛ), исследована методом остановленной струи. Элементарная константа первой стадии (k1) увеличивается до ста раз при снижении потенциала восстанавливающего субстрата в пределах 0.25 В. В присутствии K4[Fe(CN)6] для нанозимов с диаметром Ø ≈ 32 нм достигнуты значения бимолекулярной константы k1 ≈ 5∙10^9 M-1∙с-1, а для нанозимов с Ø ≈ 200 нм - до 5·10^9-1·10^10 M-1∙с-1 независимо от природы субстрата. Полученные элементарные константы на 3 - 4 порядка величины превосходят таковые для природного фермента. Результаты опубликованы (Q1): см. п.11 (а). 2. Электрохимическая платформа на основе БЛ и оксида графена, последний использован для капиллярной конденсации, оптимизирована для экспресс-детекции Н2О2 в модельном аэрозоле и протестирована на 24 добровольцах. Установлено, что предельная электроактивность БЛ достигается уже спустя 10 секунд. Линейный диапазон детектируемых по току пика содержаний Н2О2 простирается от 0.5 до 20 мкМ. Тестирование на добровольцах показало, что отклик платформы коррелирует с результатами референсного анализа, r(Пирсон) = 0.87. Средняя концентрация Н2О2 в конденсированном выдохе здоровых добровольцев лежит в микромолярном диапазоне, и для курящих субъектов повышена в 1.5 – 2 раза. 3. Исследовано каталитическое и некаталитическое окисление тирозина, триптофана, цистеина, метионина, гистидина и некоторых их производных. Проведен сравнительный анализ гексацианоферратов переходных металлов ГЦФMe(II) (Me – Ni, Co, Cu, Fe) в качестве электрокатализаторов. Рост рН раствора приводит к сдвигу потенциалов окисления аминокислот в катодную область. Для цистеина ток окисления в рН ≈ 1 растет в ряду немодифицированный электрод < ГЦФNi < ГЦФCu < ГЦФFe. Оптимальным для его детектирования оказался модифицированный ГЦФFe электрод в фосфатном буфере рН 5.0. Для тирозина и триптофана гексацианоферраты не давали каталитического эффекта. Для гистидина (равно как и для метионина) наиболее эффективный электрокатализ реакции окисления наблюдали на электродах, модифицированных ГЦФFe (рН = 6.0), ГЦФCo и ГЦФNi (рН = 8.0). 4. С целью подтверждения возможности неинвазивного мониторинга сахарного диабета исследована взаимосвязь концентраций глюкозы в крови и поте больных. На примере 22 добровольцев (12 женщин и 10 мужчин) установлено, что содержание в поте диабетиков (25 - 450 мкМ) не зависит от скорости потоотделения. Степени изменения концентрации глюкозы в поте и крови диабетиков коррелируют: для мужчин r = 0.85, для женщин r = 0.82. Соотношение концентраций глюкозы в поте и крови диабетиков колеблется от 20 до 220, однако для индивидуального субъекта сохраняется вплоть до 30 дней. Полученные результаты открывают возможность неинвазивного мониторинга сахарного диабета по анализу пота. Результаты опубликованы (Q1): см. п. 11(б). 5. Антиоксидантный статус сыворотки крови оценивался по константе скорости поглощения Н2О2 псевдо-первого порядка. На примере шести здоровых добровольцев отмечено значимое отличие этого параметра между мужчинами (1.7±0.1‧10^-3 с-1) и женщинами (1.0±0.1‧10^-3 с-1). Среднее значение антиоксидантной активности для группы здоровых добровольцев составило (1.4±0.4)‧10^-3 с-1. 6. Удлинением выходного отсека ячейки-конденсора выдыхаемого аэрозоля, функционирующей без охлаждения на основе смешения турбулентных потоков, в три раза увеличен объем собираемой пробы. Проводимость образцов выдыхаемого аэрозоля, собранных у здоровых добровольцев при помощи ячейки-конденсора, эквивалентна концентрациям хлорида натрия в диапазоне от 2.1 до 3.6 мМ (P = 0.95, n ≥ 5). Это свидетельствует о том, что получаемый конденсат в 10 раз меньше разбавлен парами воды по сравнению с конденсатом, собираемым при помощи охлаждения, что крайне важно для последующего анализа. 7. Снижение уровня шума для надежного детектирования сверхнизких концентраций H2O2 возможно за счет уменьшения количества БЛ на электроде (0.45 - 0.70 нмоль·см-2); пленку для стабилизации покрывали ГЦФNi (1.0 - 1.3 нмоль·см-2). Предел обнаружения такого сенсора - 1.6±0.8∙10^-7 М. Анализ 59 образцов выдыхаемого аэрозоля 15 здоровых некурящих людей показал среднюю концентрацию H2O2 2.7±0.5 мкМ (P = 0.95). Правильность анализа подтверждена инкубированием образцов с ферментом каталазой, катализирующей диспропорционирование Н2О2, что снижало отклик более, чем на 90%. 8. Для детекции ионов K+ и Na+ методом проточно-инжекционной амперометрии были разработаны твердоконтактные ионоселективные электроды. При сопоставимом диапазоне линейности чувствительность сенсоров на основе ГЦФNi (60±15 мA∙см-2∙M-1) больше, чем для проводящих полимеров. ГЦФNi обладает повышенной селективностью к К+, что позволило получить коэффициенты селективности: logkK/Na= −4.0, logkK/NH4= −0.8. Найденные концентрации ионов в образцах выдыхаемого аэрозоля, собранного с помощью персонального конденсора у здоровых некурящих людей, составили от 0.2 до 0.7 мМ для K+ (n = 12), и от 0.3 до 1.1 мМ для Na+ (n = 20). 9. Биосенсоры на основе БЛ и ферментов оксидаз интегрированы в проточно-инжекционную систему. Осуществлена детекция глюкозы и лактата в образцах диализата внутритканевой жидкости трансплантата печени, предоставленных ФГБУ «ГН ФМБЦ им. А.И. Бурназяна» ФМБА РФ. Дополнительное покрытие биосенсоров перфторсульфонированным полимером позволило добиться диапазона линейности от 1 до 20 мМ лактата, что соответствует составу диализата. 10. С целью стабилизации биосенсоров использовались дополнительные мембраны как наносимые поверх фермент-содержащего слоя, так и стабилизирующие электрокатализатор. Дополнительная стабилизация ферментной мембраны поливинилбутиралем (ПВБ, 0.05–0.1%) приводит к наибольшей стабильности, не влияя на диапазон определяемых концентраций лактата. Биосенсор, стабилизированный 0.1% ПВБ, сохраняет до 95% своей исходной чувствительности 23 - 30 часов в потоке 5 мМ лактата. С другой стороны, путем совместного осаждения БЛ и ГЦФNi достигнута стабильность электрокатализатора в 1 мМ растворе Н2О2 в течение 190±70 минут при сохранении высокой чувствительности (0.28±0.06 А‧М-1‧см-2). 11. Опубликованы 2 статьи в высокорейтинговых журналах (Q1): (а) Journal of Physical Chemistry Letters, 15(34) (2024) 8642-8649 и (б) Biosensors, 14 (2024) 486. 12. Результаты представлены в двух пленарных (А.А. Карякин, Е.В. Супрун) и 5 устных докладах на XI Всероссийской конференции «ЭМА-2024», Екатеринбург, двух стендовых докладах на XIII International Conference «Mendeleev 2024», Санкт-Петербург и XXII Менделеевском съезде, ПГТ «Сириус». 13. Под руководством участников проекта защищены 2 дипломных работы и 1 магистерская диссертация. Студентами МГУ защищены курсовые работы по неорганической (2), аналитической (5) и физической химии (1).

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Кинетика действия различных нанозимов в реакции восстановления Н2О2 Проведено сравнительное исследование каталитических свойств наночастиц CeO2, Fe3O4, LiFePO4, берлинской лазури (БЛ), а также молекулярных катализаторов (гемина и фталоцианиновых комплексов кобальта). Увеличение редокс-потенциала восстанавливающего субстрата на 0.15 В приводит к уменьшению каталитической константы (kкат) почти на порядок величины, а понижение редокс-потенциала нанозима менее чем на 0.1 В приводит к падению kкат до 1000 раз. Каталитическая активность нанозимов на основе БЛ более чем на порядок выше по сравнению с остальными материалами. 2. Сравнительная оценка антиоксидантного статуса биологических жидкостей у здоровых добровольцев и пациентов с различными патологиями У пациентов женского пола с постCOVIDным синдромом пола наблюдалось двукратное увеличение антиоксидантной активности сыворотки крови относительно здоровых субъектов. Среднее значение антиоксидантной активности для группы больных постCOVIDным синдромом составило 1.8±0.7‧10^-3 с-1, что незначимо отличается от значений для группы здоровых (1.4±0.4‧10^-3 с-1). 3. Электрокаталитическое окисление неэлектроактивных протеиногенных L-аминокислот В результате изучения каталитической активности гексацианоферратов переходных металлов (ГЦФMe, где Me – Fe(II), Co(II), Ni(II) или Cu(II)) в отношении электрохимического окисления аминокислот показано значительное влияние на аналитический сигнал рН фонового электролита. ГЦФCo превосходил ГЦФNi по своей электрокаталитической активности в щелочных средах (pH 7–9), являющихся оптимальными для окисления большинства аминокислот. Напротив, для электрокаталитического окисления цистеина предпочтительными являются кислые среды и наибольшую активность проявляют ГЦФFe (берлинская лазурь, БЛ) и ГЦФCu. Полученные градуировочные зависимости для большинства аминокислот лежат в микро- и миллимолярном диапазоне. Литературный обзор перспективных для электрохимического анализа биоактивных пептидов позволил выбрать для продолжения исследований дипептиды, содержащие пролин, глицин и гистидин. 4. Доработка персонального конденсора выдыхаемого аэрозоля Изготовлено 60 персональных конденсоров выдыхаемого аэрозоля при помощи фотополимерного принтера и расходных материалов, приобретенных по Проекту. Разработанная конструкция успешно применена для сбора образцов конденсата для различных групп добровольцев, включая пациентов с затрудненной функцией внешнего дыхания и кислородным концентратором. 5. Биосенсорная платформа с мембраной для капиллярной конденсации для детекции лактата в выдыхаемом аэрозоле Лактатные биосенсоры на основе наноструктур берлинской лазури и лактатоксидазы модифицировали конденсирующими покрытиями на основе оксида графена и гигроскопичной соли (KF). Уже через несколько секунд после начала пропускания аэрозоля платформа генерирует ток короткого замыкания с пиком, высота которого определяет концентрацию детектируемого вещества. Отклик разработанной платформы линейно зависит от концентрации лактата в аэрозолях в диапазоне значений от 20 до 300 мкМ. Таким образом, открывается возможность «мгновенного» неинвазивного контроля состояний гипоксии по анализу выдыхаемого аэрозоля. 6. Определение биохимического состава аэрозоля, выдыхаемого здоровыми добровольцами, отбираемого с помощью персонального конденсора На данном этапе Проекта контролировалось содержание лактата, которое в конденсате выдыхаемого аэрозоля здоровых добровольцев составило 40–550 мкМ. По сравнению с данными из литературы, разработанный конденсор позволяет получить более концентрированный образец, на что также указывает до 10 раз более высокая проводимость образца и уровень пероксида водорода. 7. Исследование проводимости пота и конденсата выдыхаемого аэрозоля здоровых добровольцев и пациентов с нарушениями электролитного баланса. Разработка сенсоров с двумя рабочими ионоселективными электродами для одновременного определения ионов калия и натрия в выдыхаемом аэрозоле методом проточно-инжекционной амперометрии Проведено исследование проводимости пота и конденсата выдыхаемого аэрозоля двух групп: здоровых добровольцев и пациентов с диагнозом муковисцидоз. Проводимость пота у пациентов примерно в 3 раза выше, чем у здоровых, тогда так для конденсата значение, наоборот, примерно в три раза ниже. Существенные различия в проводимости конденсата позволяют использовать этот параметр в качестве диагностического критерия. Для одновременного детектирования ионов калия и натрия созданы твердоконтактные ионоселективные сенсоры на основе четырехэлектродных печатных планарных структур с рабочими электродами, модифицированными ГЦФNi, а также K+ и Na+-селективными мембранами. Биамперометрический ионоселективный сенсор применен для мультиэлектролитного анализа биообразцов. 8. Детекция пероксида водорода в конденсате выдыхаемого аэрозоля (КВА) Показано, что КВА, собранный без дополнительного охлаждения, является перспективной биологической жидкостью для оценки окислительного статуса дыхательной системы человека. Важно, что уровень Н2О2 для конкретного субъекта является достаточно стабильной величиной (стандартное отклонение 15–20% для 6–14 измерений). У пациентов с постCOVIDным синдромом впервые было зафиксировано снижение концентрации H2O2 в КВА по сравнению с контрольной группой здоровых добровольцев. У курящих людей содержание H2O2, наоборот, двукратно повышено. 8а. Ультрастабильный электрокатализатор восстановления пероксида водорода на основе гексацианоферратов железа и никеля Завершены работы по созданию ультрастабильного электрокатализатора восстановления пероксида водорода. Полученный электрокатализатор на основе гексацианоферратов железа и никеля в жестких условиях непрерывного мониторинга 1 мМ пероксида водорода сохраняет 95% своего первоначального отклика в течение 275–300 минут, что в 100 раз дольше по сравнению с чистой берлинской лазурью. При этом величина отклика всего в 2–2.5 раза меньше по сравнению с берлинской лазурью. Растровая электронная микроскопия подтверждает создание нового материала, отличного как от БЛ, так и от ГЦФNi. 9. Подготовлено и опубликовано 4 статьи в высокорейтинговых журналах: “Biosensors and Bioelectronics” (IF = 10.6, Q1), “ACS Applied Materials & Interfaces” (IF = 8.2, Q1), “Current Opinion in Electrochemistry” (IF = 6.9, Q1), “Talanta” (IF = 6.1, Q1), а также обзор в отечественном журнале «Природа». 10. Участниками Проекта сделаны 3 пленарных и 3 устных доклада на международной (20th ISEAC) и Всероссийской конференциях. Студенты и аспиранты сделали 5 докладов на конференции «Ломоносов-2025». 11. Диссертационным советом МГУ.014.5 принята к защите на 17.12.2025 кандидатская диссертация участника Проекта В.А. Шавокшиной. По материалам Проекта защищено 4 дипломных и 7 курсовых работ.