Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В соответствии с планом работ по проекту, исследования проводились с электродами, селективными к ионам калия (K-ИСЭ) и кальция (Ca-ИСЭ). Часть исследований проводилась также с натрий-селективными электродами (Na-ИСЭ). Применялись электроды классического типа (с внутренним водным раствором и внутренним хлорид серебряным электродом сравнения – Ag/AgCl). Использовали ионоселективные электроды (ИСЭ) трех конструкций: с винипластовыми корпусами диаметром 12 мм и 8.5 мм, а также предложенные в ходе выполнения проекта ИСЭ, мембраны которых формировали на концах дозаторных пипеток. Последняя конструкция позволяет проводить измерения в образцах малого объемом, вплоть до 50 мл. Электрохимические исследования проводили путем потенциометрических, хроноамперометрических измерений и спектроскопии электрохимического импеданса. Морфологию поверхности мембран исследовали методами атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. Методом электрохимического импеданса, на примере мембран Na- K- и Ca-ИСЭ показано, что токи обмена на границе мембрана/водный раствор электролита значительно превышают токи, протекающие через электроды в ходе хроноамперометрических/кулонометрических измерений в методе кулонометрии при постоянном потенциале (constant potential coulometry). Это подтверждает применимость уравнения Нернста при интерпретации полученных результатов. Показано, однако, что применение уравнения Нернста к интерпретации вольтамперометрических измерений с ИСЭ, содержащими несколько ионофоров в мембране оправдано только если активности соответсвующих ионов в растворе скоррелированы. Показано, что измерения с K- и Ca-ИСЭ в методе хроноамперометрии/кулонометрии при постоянном потенциале дают возможность определений ионов калия с чувствительностью 2 – 0.5% и кальция 2%. Генерация последовательности вторичных сигналов в ответ на одно и то же событие (изменение концентрации иона) позволяет повысить надежность определения малых изменений концентрации ионов. Вместе с тем, показано, что дальнейшее повышение чувствительности анализа методом хроноамперометрии/кулонометрии при постоянном потенциале требует применения потенциостата, задающего потенциал рабочего электрода равным его потенциалу открытой цепи с точностью не ниже 20 мкВ. Для измерений в слюне, на примере Ca-ИСЭ, разработана специальная миниатюрная конструкция, которая позволяет проводить измерения в образцах объемом 50 мкл. Разрабатывается математическая модель для расчета активности ионов Ca2+ в слюне с учетом связывания кальция фосфатами и карбонатами. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют в пользу работоспособности как Ca-ИСЭ в слюне, так и работоспособности самой модели. Надежность определения ионов калия в модельных растворах крови с помощью K-ИСЭ подтверждена методом добавок. По полученным результатам в 2024 г. опубликованы три научные статьи.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В соответствии с планом работ по проекту, помимо электродов, селективных к ионам калия (K-ИСЭ) и кальция (Ca-ИСЭ), в отчетный период работы проводились также с электродами, селективными к ионам натрия (Na-ИСЭ) и лития (Li-ИСЭ). Применялись электроды классического типа (с внутренним водным раствором и внутренним хлорид серебряным электродом сравнения – Ag/AgCl), а также твердоконтактные. Набор конструкций ИСЭ был расширен за счет разработки прототипа проточной ячейки с K-, Ca-, Na- и Li-ИСЭ, которая находится в стадии испытаний. Электрохимические исследования проводили методами потенциометрии, хроноамперометрии/ кулонометрии, а также спектроскопии электрохимического импеданса. Общее содержание кальция в реальных образцах слюны определяли методом атомно-эмиссионной спектроскории (АЭС). В ходе измерений методом кулонометрии при постоянном потенциале (constant potential coulometry) на рабочий (ионоселективный) электрод накладывается постоянный потенциал Eset, который в идеале должен быть равен потенциалу открытой цепи, когда электрод находится в равновесии с раствором исходного состава (EISE0). В ходе выполнения первого года проекта показано, что неполное соответствие этих величин приводит к появлению «паразитного» сигнала, который ограничивает применение метода кулонометрии в случае малых изменений состава раствора. В отчетный период это обстоятельство исследовано детально на примере, прежде всего, Ca-ИСЭ, а также K-ИСЭ. На основе полученных новых данных предложен новый подход к проведению хроноамперометрических/ кулонометрических измерений с ИСЭ, который позволяет повысить надежность измерений. Измерения методом кулонометрии при постоянном потенциале в модельных растворах крови проведены на примере ИСЭ, селективных к ионам калия, натрия и лития. Показано, что методом кулонометрии при постоянном потенциале с регистрацией последовательности вторичных сигналов можно определять ионы калия и натрия в модельных растворах крови с чувствительностью до 0.5%, при условии внесения поправки на «паразитный» сигнал. Li-ИСЭ оказались непригодны для таких измерений в силу недостаточной селективности к ионам лития при больших избытков ионов натрия. Измерения в модельных растворах и реальных образцах слюны потребовали серьезной предварительной теоретической проработки. Дело в том, что ИСЭ дают сведения об активностях ионов, тогда как для клинической диагностики применяют концентрации. В отличие от крови, ионная сила и рН слюны варьируют в широких пределах, что затрудняет пересчет активностей в концентрации. Поэтому разработка математической модели слюны, начатая в первый год проекта, была продолжена и реализована в виде компьютерной программы. Проведенные расчеты дали возможность определить концентрацию добавки сильного электролита, а также рН, необходимые и достаточные для фиксации ионной силы образцов слюны и, соответственно, коэффициентов активности ионов в узком диапазоне при широкой вариации исходного состава образцов. Валидация модели (в том числе в реальных образцах слюны) проведена на примере Ca-ИСЭ, т.к. в случае ионов кальция необходимо учитывать не только ионную силу, но также связывание этого иона компонентами слюны. Показана возможность определения ионов калия, натрия и лития в модельных растворах слюны с чувствительностью до 0.5% методом кулонометрии при постоянном потенциале с регистрацией последовательности вторичных сигналов, при условии внесения поправки на «паразитный» сигнал. Впервые получены данные о влиянии муцина – основного биохимического компонента слюны на поведение ИСЭ. Исследованные электроды составляют мультисенсорную платформу для анализ биологических жидкостей. Платформа реализована в виде проточной ячейки, которая находится в стадии испытаний.