Ученые повысили точность домашних непрерывных мониторингов глюкозы

Домашние системы непрерывного мониторинга глюкозы (CGM) для диабетиков до сих пор жертвовали высокой чувствительностью и точностью в пользу удобства, низкой стоимости и портативности по сравнению с клиническими аналогами. Исследователи разработали биосенсор для таких мониторов на основе «нульмерных» коллоидных квантовых точек (CQDs) и золотых наносфер (AuNSs), который больше не требует такого компромисса.

Статья с описанием дизайна биосенсора и его улучшенных характеристик была опубликована в журнале Nano Research 9 ноября 2022 года.

CGM-устройства работают через крошечный биосенсор, имплантированный под кожу, который измеряет уровень глюкозы в межклеточной жидкости каждые несколько минут. Для домашнего использования наиболее распространен электрохимический метод детекции глюкозы из-за быстрого отклика, простоты использования, низкой стоимости и портативности, однако его чувствительность уступает другим методам, применяемым в клиниках.

Проблема существующих датчиков

В ферментных электрохимических сенсорах широко используется глюкозооксидаза (GOx) для окисления глюкозы на поверхности электрода. Однако при прямом нанесении GOx на электрод:

• Фермент легко отслаивается.
• Снижаются его биологическая активность и стабильность.
• Эффективность переноса электронов между GOx и поверхностью электрода — ключевой фактор чувствительности — остается низкой.

Попытки использования наноструктур на электроде для увеличения площади поверхности и каталитической активности усложняют изготовление биосенсоров, а применение синтетического полимера Nafion в качестве каркаса создает барьер для переноса заряда.

Новое решение

Исследователи пошли другим путем, используя для модификации электрода коллоидные квантовые точки (CQDs) — полупроводниковые наночастицы диаметром 2–20 нм. Они обладают обилием активных центров, прочно связываются с белковыми молекулами и, благодаря квантовым эффектам (например, туннелированию), позволяют регулировать перенос заряда на границе CQD-белок с помощью внешнего электрического поля.

Для усиления этого эффекта в структуру сенсорного электрода были интегрированы золотые наносферы (AuNSs) диаметром 10–200 нм. Они позволяют белковым ферментам сохранять биологическую активность при адгезии к поверхности и уменьшают изолирующий эффект белковой оболочки, что значительно усиливает амплитуду сигнала электрохимических биосенсоров.

Результаты

Исследователи создали опытный образец CGM с электродом, модифицированным CQDs (на основе сульфида свинца) и AuNSs. Добавление AuNSs значительно улучшило регистрируемый электрохимическим сенсором токовый сигнал.

Комбинация этих элементов показала большой потенциал для обнаружения глюкозы в различных образцах (кровь, пот, другие биологические жидкости). Биосенсор обеспечивает:

• Быстрый отклик (менее 30 секунд).
• Широкий диапазон детекции.
• Сверхвысокую чувствительность.

Следующая цель ученых — масштабировать производство этого доказавшего концепцию устройства до коммерческого уровня.