Электрохимические (био)сенсоры на основе гексацианоферратов железа и никеля для медицинской диагностики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.02, кандидат наук Карпова Елена Викторовна

• Карпова Елена Викторовна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Карпова Елена Викторовна

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава 1. Глюкоза и лактат - одни из важнейших метаболитов в организме человека

1.1. Роль определения концентрации глюкозы и лактата для медицинской диагностики

1.2. Устройства для определения концентраций глюкозы и лактата

Глава 2. Электрохимические биосенсоры

2.1. Методы иммобилизации ферментов

2.2. Классификация биосенсоров

2.3. Биосенсоры первого поколения на основе ферментов-оксидаз

2.4. Электрокатализаторы окисления/восстановления пероксида водорода

Глава 3. Берлинская лазурь - высокоэффективный низкопотенциальный трансдьюсер пероксида водорода

3.1. Кристаллическая структура и электроактивность покрытий берлинской лазури

3.2. Методы синтеза электрокаталитических покрытий берлинской лазури

3.3. Электрокаталитические свойства берлинской лазури

3.4. Методы стабилизации каталитических покрытий берлинской лазури

Глава 4. Электрохимическое определение аминокислот и белков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Глава 5. Материалы, оборудование и методы

5.1. Материалы

5.2. Оборудование

5.3. Методы

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Глава 6. Каталитические покрытия гексацианоферратов переходных металлов

6.1. Синтез покрытий берлинской лазури

6.2. Стабилизация покрытий берлинской лазури путем послойного осаждения с гексацианоферратом никеля

6.2.1. Электрохимический синтез композитных покрытий берлинская лазурь -гексацианоферрат никеля

6.2.2. Синтез композитных покрытий берлинская лазурь - гексацинаоферрат

никеля при потенциале разомкнутой цепи

6.3. Исследование электрокаталитических свойств композитного материала

берлинская лазурь-гексацианоферрат никеля

Глава 7. Электрохимические сенсоры на основе гексацианоферратов железа и никеля

7.1. Сенсор для длительного мониторинга пероксида водорода

7.2. Электрокаталитическое окисление протеиногенных аминокислот и белковых молекул на электродах, модифицированных берлинской лазурью

Глава 8. Высокостабильные биосенсоры на основе ферментов-оксидаз для определения концентраций глюкозы и лактата

8.1. Оптимизация состава фермент-содержащих мембран

8.2. Аналитические характеристики биосенсоров на основе гексацианоферратов железа и никеля

Глава 9. Применение биосенсоров на основе ферментов-оксидаз для неинвазивной диагностики

9.1. Мониторинг гипоксии для задач спортивной медицины

9.1.1. Определение концентрации лактата в поте и крови спортсменов во время прохождения ступенчатого нагрузочного теста

9.1.2. Выявление корреляции между степенями изменения концентрации лактата в крови и поте

9.2. Создание неинвазивного монитора гипо- гипергликемии на основе проточного биосенсора

9.2.1. Определение диапазона концентраций глюкозы в поте

9.2.2. Выявление корреляции между концентрациями глюкозы в крови и поте

9.2.3. Разработка конструкции неинвазивного монитора на основе биосенсора, функционирующего в режиме генерации мощности

9.2.4. Аналитические характеристики биосенсора для определения концентрации глюкозы в системе неинвазивного монитора

9.2.5. Непрерывный мониторинг концентрации глюкозы в поте

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ББ - берлинский белый

БЗ - берлинский зеленый

БЛ - берлинская лазурь

ВДЭ - вращающийся дисковый электрод

ВЭЖХ-МС - высокоэффективная жидкостная хроматография с масс-спектрометрическим

детектированием

ГТТ - глюкозотолерантный тест

ЛДОК - линейный диапазон определяемых концентраций

ПИА - проточно-инжекционный анализ

ППЭ - планарный печатный электрод

ПФС - перфторсульфонированный полимер

Силоксан - у-аминопропилтриэтоксисилан

СУЭ - стеклоуглеродный электрод

СЭХИ - спектроскопия электрохимического импеданса

ХСЭ - хлоридсеребряный электрод

ЦВА - циклическая вольтамперограмма

ЭПФ - элемент постоянной фазы

Ala - аланин

Arg - аргинин

Asn - аспарагин

Asp - аспарагиновая кислота

Aß 16 - амилоид-бета

Cys - цистеин

Cys-Cys - цистин

Cyt c - цитохром с

Gln - глутамин

Glu - глутаминовая кислота

Gly - глицин

His - гистидин

h-Pro - гидроксипролин

HSA - сывороточный альбумин человека

Ile - изолейцин

Leu - лейцин

Lys - лизин Met - метионин

№ГЦФ - гексацианоферрат никеля

Phe - фенилаланин

Ser - серин

Thr - треонин

Trp - триптофан

Tyr - тирозин

Val - валин

ВВЕДЕНИЕ

Современной тенденцией в медицинской диагностике является переход к неинвазивным методам, которые обладают рядом преимуществ, а именно: не требуется отбор крови, а, значит, не нарушается целостность сосудов и кожных покровов, отсутствует риск инфицирования и травмирования пациентов, а также существует возможность длительного непрерывного мониторинга метаболитов (например, глюкозы, концентрация которой является ключевым параметром для больных диабетом, и лактата, маркера гипоксии). Таким образом, использование неинвазивных методов диагностики перспективно, а их разработка может помочь улучшить качество жизни миллионов людей. Несмотря на продолжающиеся исследования, проблема неинвазивной оценки концентраций метаболитов в крови по-прежнему остается нерешенной.

Развитие неинвазивной диагностики подразумевает создание носимых устройств, ключевую роль в которых чаще всего играют биосенсоры. В качестве биочувствительного элемента большинства современных коммерческих биосенсоров используются ферменты-оксидазы. Эти ферменты катализируют окисление своего специфического субстрата кислородом воздуха, последний при этом восстанавливается до пероксида водорода. Наибольшей чувствительности и наименьших пределов обнаружения биосенсоров можно достичь путем определения концентрации продукта реакции - Н2О2 [1].

В настоящее время гексацианоферрат (II) железа (III) (берлинская лазурь, БЛ) является наиболее эффективным электрокатализатором восстановления пероксида водорода и может быть использован при создании биосенсоров на основе ферментов-оксидаз. БЛ обладает уникальными каталитическими свойствами: в нейтральных средах сенсоры на её основе в 1000 раз превосходят наиболее часто применяемые в клинических анализаторах и малоинвазивных мониторах платиновые электроды как по чувствительности, так и по селективности в реакции восстановления пероксида водорода в присутствии кислорода [2].

БЛ обладает, пожалуй, единственным недостатком - операционная стабильность (био)сенсоров на её основе недостаточно высока для целей длительного мониторинга. В процессе работы (био)сенсора в растворе накапливаются продукты восстановления пероксида водорода - гидроксид ионы, которые способны растворять покрытие БЛ. Как было показано ранее, гексацианоферраты других переходных металлов (никеля (№ГЦФ), кобальта, меди и т. д.) каталитически неактивны [3], но они могут выступать в роли стабилизирующей матрицы для гексацианоферрата железа [4].

БЛ получила широкую известность как электрокатализатор восстановления H2O2, при этом в катализе задействована полностью восстановленная форма БЛ - берлинский белый (ББ). В свою очередь, берлинский зеленый, полностью окисленная форма БЛ, обладает высокой окислительной способностью и может применяться для синтеза проводящих полимеров [5], а также при создании различных электрохимических сенсоров [2, 6, 7].

Среди большого числа веществ, которые могут быть обнаружены путем их окисления на поверхности электрода, особого внимания заслуживают протеиногенные аминокислоты, пептиды и белки, определение концентрации которых имеет большое значение для медицинской диагностики. Принято считать, что лишь 6 аминокислотных остатков, входящих в состав белков, могут быть окислены на поверхности немодифицированных электродов [8-10], в то время как список аминокислотных остатков, способных окисляться in vivo, значительно шире. Таким образом, можно предположить, что подбор подходящего электрокатализатора может существенно увеличить число окисляемых на поверхности электрода аминокислот и белковых молекул.

Исходя из вышесказанного, можно заключить, что создание (био)сенсоров на основе гексацианоферратов переходных металлов является важной задачей современной аналитической химии, поскольку такие (био)сенсоры могут быть применены как при конструировании носимых устройств, позволяющих осуществлять длительный неинвазивный мониторинг диагностически значимых метаболитов, так и при разработке сенсоров на аминокислоты и белки для биохимии и медицинской диагностики.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрохимические (био)сенсоры на основе гексацианоферратов железа и никеля для медицинской диагностики»

Цель работы

Разработка электрокаталитических систем на основе гексацианоферратов переходных металлов для высокоэффективных (био)сенсоров с целью неинвазивного мониторинга гипо- гипергликемии и гипоксии, а также электрохимического детектирования аминокислот и белковых молекул.

Задачи исследования

1) синтез композитных покрытий берлинская лазурь - гексацианоферрат никеля и исследование их электрокаталитических характеристик;

2) создание высокочувствительного и высокостабильного сенсора на пероксид водорода;

3) разработка высокостабильных глюкозных и лактатных биосенсоров на основе гексацианоферратов железа и никеля и ферментов-оксидаз;

4) использование берлинской лазури для электрокаталитического окисления аминокислот и белковых молекул с целью их детектирования;

5) определение при помощи разработанных глюкозных и лактатных биосенсоров концентраций метаболитов в крови и поте, установление взаимосвязи между ними;

6) создание неинвазивного монитора гипо- гипергликемии на основе проточного биосенсора и его апробация.

Научная новизна

Путем послойного осаждения гексацианоферратов железа и никеля синтезировано композитное покрытие, которое характеризуется высокой каталитической активностью, сопоставимой с таковой для БЛ, наиболее эффективного электрокатализатора восстановления H2O2. При этом не требуется нанесение нескольких бислоев БЛ-№ГЦФ, что позволяет существенно уменьшить время и трудоемкость синтеза, а также повысить его воспроизводимость.

Показано, что использование разработанного электрокатализатора вместо БЛ позволяет в 2 раза увеличить операционную стабильность как глюкозных, так и лактатных биосенсоров первого поколения на основе ферментов-оксидаз. При этом наблюдается незначительное снижение чувствительности биосенсоров, однако динамический диапазон определяемых концентраций не изменяется.

Продемонстрирована возможность использования БЛ в качестве электрокатализатора окисления аминокислот, пептидов и белков. Установлено, что все аминокислоты, входящие в состав белков, за исключением глутаминовой кислоты, могут детектироваться электрохимически с использованием электрода, модифицированного БЛ.

Разработанные биосенсоры применены для анализа крови и пота. Проведение дифференцированного анализа образцов пота, собранных с работающей и неработающей мышц, позволило систематизировать данные о взаимосвязи между концентрациями лактата в капиллярной крови и неинвазивно собираемом поте и показать наличие корреляции между степенями изменения концентрации метаболита в крови и поте (г = 0.82). Более того, максимальное значение концентрации лактата в поте всегда наблюдается раньше, чем в крови, что указывает на то, что именно концентрация данного метаболита в поте является более ранним индикатором мышечного метаболизма и может быть применена для отслеживания состояния спортсмена во время тренировок.

Обнаружено, что между степенями изменения концентрации глюкозы в капиллярной крови и поте существует положительная корреляция (г = 0.75). Это служит доказательством того, что пот можно использовать для неинвазивного мониторинга

состояний гипо- гипергликемии. На основе глюкозного биосенсора и проточного потосборника создан лабораторный образец неинвазивного монитора. Показано, что динамика концентрации глюкозы в поте, зарегистрированная с помощью разработанного устройства, находится в соответствии с динамикой концентрации глюкозы в капиллярной крови.

Практическая значимость

Разработан сенсор на пероксид водорода на основе бислоя берлинская лазурь-гексацианоферрат никеля, характеризующийся одновременно сопоставимой с сенсором на основе БЛ чувствительностью (0.35 А-М-1-см-2) и высокой операционной стабильностью: в режиме непрерывного мониторинга 1 мМ H2O2 первоначальный отклик сохраняется в течение 80 минут. Каталитические активности бислоя = (9.7±0.2)-10-3 см-с-1), состоящего из последовательно осажденных гексацианоферратов железа и никеля, и БЛ (1-10-2 см-с-1) близки.

Путем комбинации стабилизированного электрокатализатора (БЛ-МГЦФ) и усовершенствованного способа иммобилизации ферментов (глюкозооксидазы и лактатоксидазы) из водно-органических смесей с высоким содержанием органического растворителя разработаны высокоэффективные биосенсоры с увеличенной в 2 раза по сравнению с аналогичной величиной для биосенсоров на основе БЛ операционной стабильностью. Динамический диапазон определяемых концентраций глюкозы и лактата для биосенсоров на основе гексацианоферратов железа и никеля аналогичен таковому для биосенсоров на основе БЛ: 5-10-6 - 1-10-2 М и Ы0-6 - 5-10-3 М, соответственно.

Электроды, модифицированные БЛ, применены для определения концентраций протеиногенных аминокислот и белков. Показано, что БЛ может выступать в качестве электрокатализатора окисления 19 аминокислотных остатков, которые входят в состав белков, увеличивая их сигналы окисления в 1.1 - 50 раз по сравнению с сигналами, полученными на немодифицированном электроде.

Созданный неинвазивный монитор гипо- гипергликемии позволяет непрерывно анализировать пот и получать данные об изменении концентрации глюкозы без временных задержек. Правильность работы монитора проверена путем анализа вытекающего из него пота независимым методом. Коэффициент корреляции между показаниями неинвазивного монитора и данными, полученными независимым методом, составил более 0.99. Разработанный монитор может применяться в клинической диагностике для пациентов, больных сахарным диабетом, а также людей, которым необходимо пройти процедуру глюкозотолерантного теста.

На защиту выносятся:

1. Высокоэффективный электрокатализатор восстановления пероксида водорода, состоящий из каталитического слоя берлинской лазури и стабилизирующего слоя гексацианоферрата никеля.

2. Электрохимический сенсор для длительного мониторинга пероксида водорода, характеризующийся высокими значениями чувствительности и операционной стабильности.

3. Высокостабильные глюкозные и лактатные биосенсоры на основе гексацианоферратов железа и никеля и ферментов-оксидаз.

4. Способ определения протеиногенных аминокислот и белков посредством их электрокаталитического окисления на электродах, модифицированных берлинской лазурью.

5. Подходы к неинвазивной диагностике на основе анализа пота при помощи разработанных глюкозных и лактатных биосенсоров.

6. Лабораторный образец неинвазивного монитора состояний гипо- гипергликемии.

Степень достоверности. Достоверность результатов обеспечена использованием комплекса современных инструментальных методов анализа, статистической оценкой погрешностей и сходимости результатов измерений, а также высокой воспроизводимостью полученных результатов и их согласованностью с данными альтернативных независимых методов анализа.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на 14 всероссийских и международных научных конференциях и выставках: XXI Международная конференция студентов и аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2014» (Москва, Россия, 2014); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2016» (Москва, Россия, 2016); IX Всероссийская конференция по электрохимическим методам анализа с международным участием и молодежной научной школой «ЭМА 2016» (Екатеринбург, Россия, 2016); V Съезд физиологов СНГ, V Съезд Биохимиков России (Сочи, Россия, 2016); Научная конференция грантодержателей РНФ «Фундаментальные химические исследования XXI-го века» (Москва, Россия, 2016); X Международная конференция молодых учёных по химии «Менделеев-2017» (Санкт-Петербург, Россия, 2017); International Conference on Electrochemical Sensors «Matrafured 2017» (Visegrad, Hungary, 2017); International Conference «Biocatalysis-2017: Fundamentals and applications» (Moscow Region, Russia, 2017); Baltic polymer symposium 2017 (Tallinn, Estonia, 2017); 17th International Conference on Electroanalysis (Rhodes,

Greece, 2018); VI Международная научно-практическая конференция «Биотехнология: наука и практика» (Ялта, Россия, 2018); 17-я Международная выставка лабораторного оборудования и химических реактивов «Аналитика Экспо» (Москва, Россия, 2019), 4th International school-conference of young scientists «Topical problems of modern electrochemistry and electrochemical materials science» (Moscow Region, Russia, 2019), 15th International Students Conference «Modern Analytical Chemistry» (Prague, Czech, 2019).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в научных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science, Scopus, RSCI, изданиях из перечня, рекомендованных Минобрнауки РФ, 1 патенте и тезисах 14 докладов международных и всероссийских конференций.

1. Karpova E.V., Karyakina E.E., Karyakin A.A. Iron-nickel hexacyanoferrate bilayer as an advanced electrocatalyst for H2O2 reduction // RSC adv. 2016. V. 6. P. 103328-103331. (IF 3.0)

2. Karpova E.V., Karyakina E.E., Karyakin A.A. Accessing stability of oxidase-based biosensors via stabilizing the advanced H2O2 transducer // J. Electrochem. Soc. 2017. V. 164, № 5. P. B3056-B3058. (IF 3.1)

3. Zaryanov N.V., Nikitina V.N., Karpova E.V., Karyakina E.E., Karyakin A.A. Nonenzymatic sensor for lactate detection in human sweat // Anal. Chem. 2017. V. 89. P. 11198-11202 (IF 6.4).

4. Karpova E.V., Shcherbacheva E.V., Galushin A.A., Vokhmyanina D.V., Karyakina E.E., Karyakin A.A. Noninvasive diabetes monitoring through continuous analysis of sweat using flow-through glucose biosensor // Anal. Chem. 2019. V. 91. № 6. P. 3778-3783. (IF 6.4).

Личный вклад автора. В основу диссертации положены результаты научных исследований, выполненных под руководством д.х.н., профессора Карякина А.А. в лаборатории электрохимических методов кафедры аналитической химии химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова в 2014 - 2019 гг. Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, подготовке, планировании и проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов, подготовке публикаций по теме диссертационной работы, представлении результатов на научных конференциях, а также формулировке защищаемых научных положений и выводов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех основных разделов (обзор литературы, экспериментальная часть, результаты и их обсуждение), выводов и списка литературы (170 ссылок). Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, включая 62 рисунка и 9 таблиц.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ 16-13-00010, РНФ 18-73-00264 и РНФ 19-13-00131.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава 1. Глюкоза и лактат - одни из важнейших метаболитов в организме человека

1.1. Роль определения концентрации глюкозы и лактата для медицинской

диагностики

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), 422 миллиона человек (8.5% взрослого населения - 18 лет и старше) страдают сахарным диабетом, при том что ещё в 1980 годом число людей с таким заболеванием составляло 108 миллионов [11]. По оценкам ВОЗ в 2016 году диабет занимал седьмое место среди причин смертности. Диабет является серьезным хроническим заболеванием и представляет собой значимую проблему общественного здравоохранения, являясь одним из четырех приоритетных неинфекционных заболеваний, принятие мер в отношении которых запланировано на уровне мировых лидеров. Число случаев диабета, а также его распространенность неуклонно росли в течение последних десятилетий.

Данное заболевание опасно в том числе и из-за сопутствующих ему осложнений: сердечно-сосудистых заболеваний, слепоты, почечной недостаточности, ампутации нижних конечностей и т.д. Концентрация глюкозы в крови является ключевым параметром для больных диабетом: поддержание её на соответствующем уровне позволяет отложить наступление этих осложнений.

Продуктом распада глюкозы при недостатке кислорода является лактат - соль молочной кислоты. Будучи универсальным продуктом обмена веществ у огромного числа живых организмов [12], лактат может выступать в качестве маркера гипоксии тканей. Определение его концентрации, величина которой является показателем тренированности спортсмена, очень востребовано в спортивной медицине. Концентрация лактата в крови варьируется от 0.5 до 2.2 мМ [13] и повышается до 10 раз при интенсивных физических нагрузках. Отслеживая динамику роста концентрации лактата, можно определить наиболее перспективных спортсменов в циклических видах спорта, где особенно важен такой показатель, как выносливость.

Говоря о значимости определения концентрации лактата для клинической диагностики, стоит отметить, что данный параметр характеризует кислородную недостаточность тканей при ряде заболеваний: инфаркт кишечника, сепсис, полиорганная недостаточность, кардиогенный шок, кислородное голодание [14, 15]. Для больных, находящихся в критическом состоянии, величина концентрации лактата крови является одним из ключевых показателей, поскольку может выступать в качестве маркера сложных

метаболических нарушений. Динамику концентрации лактата в крови можно использовать в качестве критерия эффективности назначаемой терапии и предиктора летального исхода [16].

В заключение можно отметить, что определение концентрации глюкозы и лактата является важной задачей для медицинской диагностики. В настоящее время наблюдается тенденция перехода к непрерывному мониторингу данных метаболитов, что находит отражение в разработке различных носимых устройств, а также появлению и развитию неинвазивных методов анализа.

1.2. Устройства для определения концентраций глюкозы и лактата

На сегодняшний день концентрации глюкозы и лактата в подавляющем большинстве случаев определяют в крови (как капиллярной, так и венозной). Для квалифицированных пользователей (в медицинских учреждениях и лабораториях) разработано огромное количество клинических анализаторов (Рисунок 1), причем некоторые модели позволяют одновременно определять концентрации обоих метаболитов.

Рисунок 1. Клинический анализатор глюкозы и лактата EcoBasic (Care Diagnostica, Германия)

Характеристики таких устройств сопоставимы друг с другом и представлены в Таблице 1. Работа большинства анализаторов основана на электрохимическом принципе. Электрохимические методы отвечают всем требованиям современного анализа: они характеризуются высокой чувствительностью, экспрессностью, дешевизной, простотой и удобством применения.

Таблица 1. Характеристики наиболее часто встречающихся на рынке клинических анализаторов глюкозы и лактата

Анализатор Диапазон определяемых Погрешность Объем пробы Производительность

концентраций

EcoTwenty, Глюкоза:

EcoMatic (Care Diagnostica, 0.8 - 50 мМ Лактат: 1.5% 130 проб/ч

Германия) 0.5 - 25 мМ

SensoStar GL30 Глюкоза: 0.6 - 50 мМ Лактат: 0.5 - 30 мМ

(DiaSys Diagnostic Systems, Германия) Глюкоза 1.5% Лактат 2% 100 проб/ч

LabTrend (BST Глюкоза:

Bio Sensor Technology, 0.5 - 50 мМ Лактат: 1.5% 20 мкл 120 проб/ч

Германия) 0.5 - 40 мМ

SuperGL (Dr.Muller, Германия) Глюкоза: 0.6 - 50 мМ Лактат: 0.5 - 30 мМ 7% 100 проб/ч

АГКМ-01 Глюкоза: 1 - 30 мМ Лактат: 1 - 15 мМ

(Кверти-Мед, Россия) 3% 40 проб/ч

В рассматриваемых клинических анализаторах используются биосенсоры на основе платины и ферментов - глюкозооксидазы и лактатоксидазы. С учетом того, что для анализа используют разбавленную в 50 раз кровь, диапазоны определяемых концентраций глюкозы и лактата полностью согласуются с физиологическими диапазонами содержаний рассматриваемых метаболитов в крови.

Для рядовых пользователей производятся более простые в использовании, но менее точные глюкометры и лактометры, представляющие собой устройства небольшого размера, снабженные одноразовыми тест-полосками (биосенсорами) и системой для прокалывания пальца (Рисунок 2). Однако использование таких устройств для непрерывного мониторинга концентраций метаболитов представляется малореальным, особенно если требуется контролировать концентрацию глюкозы во сне или концентрацию лактата во время активной тренировки. Кроме того, необходимость постоянного отбора крови сопряжена с нарушением целостности кожных покровов, болевыми ощущениями, травмированием и риском инфицирования пациентов.

Рисунок 2. Система для определения концентрации глюкозы в крови Сателлит экспресс (Элта, Россия)

К настоящему моменту для непрерывного определения концентрации глюкозы разработаны устройства, называемые «малоинвазивные» (Рисунок 3). Однако стоит отметить, что большинство существующих устройств для длительного мониторинга глюкозы требует калибровки. Более того, такие мониторы, по сути, остаются инвазивными: они представляют собой микросенсоры (зачастую из платины), расположенные на глубине до 7 мм под кожей, а значит, анализируют кровь.

Рисунок 3. Система мониторинга глюкозы FreeStyle Libre (Abbot, США)

Что касается упомянутой «калибровки», она включает в себя отбор крови с последующим определением в ней концентрации глюкозы, из чего можно сделать вывод о том, что необходимость исследования крови для калибровки не обесценивает данный диагностический инструмент. Соответственно, достаточным условием для возможности проведения неинвазивной диагностики должна быть корреляция между степенями изменений концентраций метаболитов в экскреторной жидкости и в крови.

На рынке известны устройства двух компаний: FreeStyle Libre компании Abbot (США) [17] и Dexcom G6 компании Dexcom, Inc. (США), основной частью которых служит вживляемая под кожу тонкая проволочка (сенсор) с нанесенным на нее ферментом. К поверхности кожи крепится компактное электронное устройство, которое

периодически регистрирует амперометрический сигнал сенсора и передает его на мобильное устройство автоматически либо при инициации пользователем. Один сенсор может работать в течение 10-14 дней. Из достоинств таких носимых малоинвазивных мониторов по сравнению с использованием глюкометров пользователи отмечают безболезненность процедуры, простоту и удобство закрепления устройства, компактность, возможность непрерывного получения данных об уровне глюкозы, водонепроницаемость.

Однако такие устройства не лишены недостатков: наблюдается низкая точность результатов при гипогликемии, широкий спектр препаратов оказывает мешающее влияние на показания сенсора, кроме того, возможно возникновение инфекций и раздражений кожных покровов. Описываемые устройства не предназначены для принятия решения о медикаментозном лечении. Кроме того, стоимость малоинвазивных мониторов достаточно высока.

Попытки использовать физические методы неинвазивной оценки концентрации глюкозы в крови не привели к успеху. Для создания неинвазивных мониторов в настоящее время в основном применяются следующие оптические методы [18]: спектроскопия ближнего и среднего ИК-диапазона [19, 20], рамановская [21], фотоакустическая [22, 23] и флуоресцентная спектроскопия, в также оптическая когерентная томография [24]. Разработка большинства оптических методов мониторинга глюкозы все еще идет довольно медленно, поскольку она сопряжена с большим числом трудностей. В частности, спектроскопия ближнего ИК-диапазона не смогла обеспечить требуемую чувствительность [25-28]. Рамановская спектроскопия также характеризуется недостаточной чувствительностью, улучшить которую можно с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния, применение которой в свою очередь связано с рядом ограничений [29]. Общей проблемой для всех оптических методов в рамках неинвазивного мониторинга является низкая точность измемрений, а также необходимость калибровки устройств из-за индивидуальных различий в свойствах кожи (разное содержание воды в коже и пигментация).

Единственная на данный момент коммерционализованная и недавно прошедшая сертификацию в Европе система постоянного мониторинга глюкозы, основанная на оптических методах (флуоресцентной спектроскопии), Eversense (разработка американской компании Senseonics), представляет собой имплантируемый под кожу датчик, а, значит, не может считаться неинвазивной [30]. Заявленный срок службы такого датчика - до 180 дней [31]. Процедура внедрения импланта, по сути являясь хирургической мини-операцией, занимает около 5-10 минут и проводится врачом.

Следовательно, для решения задач постоянного неинвазивного мониторинга метаболитов по-прежнему востребован химический анализ экскреторных жидкостей.

В качестве такой жидкости можно рассмотреть слюну, мочу, слезу, конденсат выдыхаемого воздуха и пот. Как известно, первые две не годятся для неинвазивной диагностики, поскольку содержание метаболитов в них не коррелирует с их содержанием в крови. В литературе встречаются исследования, в которых в качестве экскреторной жидкости выступают слеза [32-34], работа с которой затруднена из-за сложностей с пробоотбором, или конденсат выдыхаемого воздуха, для которого характерна низкая концентрация метаболитов [35].

Ранее было предпринято несколько попыток оценить уровень глюкозы в крови путем его измерения в экскреторной жидкости (поте или межтканевой жидкости) на поверхности кожи, включая приложение пониженного давления к коже [36] и ионтофорез глюкозы [37, 38]. Последний подход был реализован в коммерческих устройствах, например, Glucowatch, (Cygnus Corp., США) (Рисунок 4), которые, однако исчезли с рынка вскоре после выпуска, поскольку вызывали раздражение кожных покровов у пользователей, а также не отличались высокой точностью результатов.

Рисунок 4. Неинвазивный глюкометр Glucowatch, (Cygnus Corp., США)

Кроме того, в литературе можно найти информацию о неинвазиных мониторах глюкозы на основе так называемой электрохимической «татуировки» [39] (Рисунок 5), которые фактически является репликой упомянутого Glucowatch на основе ионтофореза. Для сенсорных конструкций, плотно прилегающих к коже [39, 40], непрерывный мониторинг вряд ли возможен, поскольку при отсутствии отверстия или капилляра для вытекания раствора поверхность сенсора будет постоянно находиться в одном и том же растворе пота, выделяемом первоначально. Очевидно, что непрерывный мониторинг возможен только с использованием проточного биосенсора.

Рисунок 5. Электрохимическая «татуировка» [39]

Неинвазивно собираемый пот уже используется в клинической практике: по его проводимости судят о наличии такого заболевания как муковисцидоз [41, 42]. Химический анализ пота очень привлекателен, однако традиционные электрохимические клинические анализаторы для этой цели неприменимы, поскольку компоненты пота инактивируют платину, используемую в подавляющем большинстве биосенсоров.

Пот человека как объект анализа уже привлек особый интерес к неинвазивной диагностике гипоксии. Ранее сообщалось о попытках контролировать содержание лактата в поте с использованием биосенсоров [43, 44], а также неферментативного сенсора [45]. Причем концентрация лактата в поте заметно выше, чем в крови: от 4 до 25 мМ в состоянии покоя и до 40 - 80 мМ при интенсивных физических нагрузках [46, 47].

Кроме того, пот также рассматривается в качестве потенциально подходящей для неинвазивного мониторинга состояний гипо- гипергликемии экскреторной жидкости. В последнее время появляются различные устройства, сочетающие анализ пота, в том числе определение в нем концентрации глюкозы, с системами преобразования информации и передачи сигнала [48, 49].

Из имеющихся литературных данных нельзя сделать окончательный вывод о величине концентрации глюкозы в поте (в разных источниках можно встретить расхождение на 3 порядка) [50], пороговые концентрации глюкозы в поте, отличающие нормальное состояние пациента от гипо- или гипергликемии также неизвестны. В работах [40] и [51] были предприняты попытки найти связь между концентрациями глюкозы в крови и поте на основе отбора проб пота с помощью клинически релевантной процедуры (стимуляция пилокарпином [52]). Однако данные, которые позволили бы предсказать концентрацию глюкозы в крови на основании значений концентрации глюкозы в поте, до сих пор отсутствуют.

Таким образом, можно заключить, что, несмотря на огромное количество разработанных устройств для определения концентрации глюкозы и лактата, по-прежнему

не существует надежных систем неинвазивного мониторинга состояний гипо-гипергликемии и гипоксии. Более того, вопрос о наличии какой-либо корреляции между концентрациями глюкозы и лактата в поте и в крови по-прежнему остается открытым. Подавляющее большинство имеющихся устройств основано на работе электрохимических биосенсоров, описанию которых посвящена следующая глава.

Глава 2. Электрохимические биосенсоры

Биосенсоры, после их открытия, нашли широкое практическое применение в различных областях человеческой жизни. Рынок биосенсоров увеличился с 5 миллионов долларов США в 2005 году [53] до 15 миллиардов долларов США в 2013 году [54] и продолжает стремительный рост. Если говорить о публикациях, посвященных биосенсорике, то их число также возросло с 1 статьи в год до 4500. Это можно объяснить постоянно возрастающим интересом к персонифицированной медицине (например, определение концентрации глюкозы в крови с помощь глюкометра по праву считается одним из наиболее часто используемых химических тестов), а также всевозможным носимым устройствам, в том числе на основе (био)сенсоров.

Согласно рекомендациям Международного союза фундаментальной и прикладной химии (ИЮПАК), химическим сенсором принято считать устройство, которое преобразует химическую информацию о концентрации определенного вещества или составе исследуемого образца в аналитический сигнал. Химический сенсор состоит из находящихся в контакте друг с другом физико-химического преобразователя (трансдьюсера) и системы химического распознавания (рецептора). Система распознавания биосенсора имеет биохимическую природу, ее функционирование основано на реакции индивидуальных биомолекул (ферментов, антител, нуклеиновых кислот и т.п.) или надмолекулярных структур (вплоть до живых клеток) [55]. Такие биораспознающие элементы отличаются высокой специфичностью, что позволяет количественно определять индивидуальное вещество в сложных многокомпонентных смесях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Карпова Елена Викторовна, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Guilbault G. G., Lubrano G. J. An enzyme electrode for the amperometric determination of glucose // Anal. Chim. Acta. 1973. V. 64. № 3. P. 439-455.

2. Karyakin A. A. Prussian Blue and its analogues: Electrochemistry and analytical applications // Electroanal. 2001. V. 13. № 10. P. 813-819.

3. Sitnikova N. A., Komkova M. A., Khomyakova I. V., Karyakina E. E., Karyakin A. A. Transition Metal Hexacyanoferrates in Electrocatalysis of H2O2 Reduction: An Exclusive Property of Prussian Blue // Anal. Chem. 2014. V. 86. № 9. P. 4131-4134.

4. Sitnikova N. A., Borisova A. V., Komkova M. A., Karyakin A. A. Superstable Advanced Hydrogen Peroxide Transducer Based on Transition Metal Hexacyanoferrates // Anal. Chem. 2011. V. 83. № 6. P. 2359-2363.

5. Karyakin A. A., Chaplin M. F. Polypyrrole Prussian Blue films with controlled level of doping - codeposition of polypyrrole and Prussian Blue // J. Electroanal. Chem. 1994. V. 370. № 1-2. P. 301-303.

6. Senthil Kumar S. M., Chandrasekara Pillai K. A kinetic study of the electrocatalytic oxidation of reduced glutathione at Prussian blue film-modified electrode using rotating-disc electrode voltammetry // Electrochim. Acta. 2009. V. 54. № 28. P. 7374-7381.

7. Hou W., Wang E. Flow-injection amperometric detection of hydrazine by electrocalytic oxidation at a Prussian Blue film-modified electrode // Anal. Chim. Acta. 1992. V. 257. № 2. P. 275-280.

8. Brabec V., Mornstein V. Electrochemical-behavior of proteins at graphite-electrodes .2. Electrooxidation of amino-acids // Biophys. Chem. 1980. V. 12. № 2. P. 159-165.

9. Malfoy B., Reynaud J. A. Electrochemical investigations of amino-acids at solid electrodes .2. Amino-acids containing no sulfur-atoms - tryptophan, tyrosine, histidine and derivatives // J. Electroanal. Chem. 1980. V. 114. № 2. P. 213-223.

10. Reynaud J. A., Malfoy B., Canesson P. Electrochemical investigations of amino-acids at solid electrodes .1. Sulfur components - cystine, cysteine, methionine // J. Electroanal. Chem. 1980. V. 114. № 2. P. 195-211.

11. Global report on diabetes. Geneva: World Health Organization, 2018.

12. Dringen R., Gebhardt R., Hamprecht B. Glycogen in astrocytes - possible function as lactate supply for neighboring cells // Brain Research. 1993. V. 623. № 2. P. 208-214.

13. Goodwin M. L., Harris J. E., Hernández A., Gladden L. B. Blood lactate measurements and analysis during exercise: a guide for clinicians // J. Diabetes Sci. Technol. 2007. V. 1. № 4. P. 558-569.

14. Roumen R M. H., Redl H., Schlag G., Sandtner W., Koller W., Goris R J. A. Scoring systems and blood lactate concentrations in relation to the development of adult-respiratory-distress-syndrome and multiple organ failure in severely traumatized patients // J. Trauma-Injury Infect. Crit. Care. 1993. V. 35. № 3. P. 349-355.

15. Mullner M., Sterz F., Domanovits H., Behringer W., Binder M., Laggner A. N. The association between blood lactate concentration on admission, duration of cardiac arrest, and functional neurological recovery in patients resuscitated from ventricular fibrillation // Intensive Care Med. 1997. V. 23. № 11. P. 1138-1143.

16. Hameed S. M., Aird W. C., Cohn S. M. Oxygen delivery // Crit. Care Med. 2003. V. 31. № 12. P. S658-S667.

17. Heller A., Feldman B. Electrochemistry in Diabetes Management // Acc. Chem. Res. 2010. V. 43. № 7. P. 963-973.

18. Jernelv I. L., Milenko K., Fuglerud S. S., Hjelme D. R., Ellingsen R., Aksnes A. A review of optical methods for continuous glucose monitoring // Appl. Spectrosc. Rev. 2019. V. 54. № 7. P. 543-572.

19. Brandstetter M., Volgger L., Genner A., Jungbauer C., Lendl B. Direct determination of glucose, lactate and triglycerides in blood serum by a tunable quantum cascade laser-based mid-IR sensor // Appl. Phys. B. 2013. V. 110. № 2. P. 233-239.

20. Liakat S., Bors K. A., Xu L., Woods C. M., Doyle J., Gmachl C. F. Noninvasive in vivo glucose sensing on human subjects using mid-infrared light // Biomed. Opt. Express. 2014. V. 5. № 7. P. 2397-2404.

21. Shih W.-C., Bechtel K. L., Rebec M. V. Noninvasive glucose sensing by transcutaneous Raman spectroscopy // J. Biomed. Opt. 2015. V. 20. № 5. P. 051036.

22. Pleitez M. A., Lieblein T., Bauer A., Hertzberg O., von Lilienfeld-ToalH., Mantele W. In vivo noninvasive monitoring of glucose concentration in human epidermis by mid-infrared pulsed photoacoustic spectroscopy // Anal. Chem. 2012. V. 85. № 2. P. 1013-1020.

23. Kottmann J., Rey J., Sigrist M. Mid-Infrared photoacoustic detection of glucose in human skin: towards non-invasive diagnostics // Sensors. 2016. V. 16. № 10. P. 1663.

24. Gabbay R. A., Sivarajah S. Optical coherence tomography-based continuous noninvasive glucose monitoring in patients with diabetes // Diabetes Technol. Ther. 2008. V. 10. № 3. P. 188193.

25. Tura A., Maran A., Pacini G. Non-invasive glucose monitoring: assessment of technologies and devices according to quantitative criteria // Diabetes Res. Clin. Pr. 2007. V. 77. № 1. P. 1640.

26. Vashist S. K. Non-invasive glucose monitoring technology in diabetes management: A review // Anal. Chim. Acta. 2012. V. 750. P. 16-27.

27. Goodarzi M., Sharma S., Ramon H., Saeys W. Multivariate calibration of NIR spectroscopic sensors for continuous glucose monitoring // Trends Anal. Chem. 2015. V. 67. P. 147-158.

28. Yadav J., Rani A., Singh V., Murari B. M. Prospects and limitations of non-invasive blood glucose monitoring using near-infrared spectroscopy // Biomed. Signal Proces. 2015. V. 18. P. 214-227.

29. Ma K., Yuen J. M., Shah N. C., Walsh Jr J. T., Glucksberg M. R., Van Duyne R. P. In vivo, transcutaneous glucose sensing using surface-enhanced spatially offset Raman spectroscopy: multiple rats, improved hypoglycemic accuracy, low incident power, and continuous monitoring for greater than 17 days // Anal. Chem. 2011. V. 83. № 23. P. 9146-9152.

30. Mortellaro M., DeHennis A. Performance characterization of an abiotic and fluorescent-based continuous glucose monitoring system in patients with type 1 diabetes // Biosens. Bioelectron. 2014. V. 61. P. 227-231.

31. Kropff J., Choudhary P., Neupane S., BarnardK., Bain S. C., Kapitza C., Forst T., LinkM., Dehennis A., DeVries J. H. Accuracy and longevity of an implantable continuous glucose sensor in the PRECISE study: a 180-day, prospective, multicenter, pivotal trial // Diabetes Care. 2017. V. 40. № 1. P. 63-68.

32. Andoralov V., Shleev S., Arnebrant T., Ruzgas T. Flexible micro (bio) sensors for quantitative analysis of bioanalytes in a nanovolume of human lachrymal liquid // Anal. Bioanal. Chem. 2013. V. 405. № 11. P. 3871-3879.

33. Pankratov D., González-Arribas E., Blum Z., Shleev S. Tear based bioelectronics // Electroanal. 2016. V. 28. № 6. P. 1250-1266.

34. Kownacka A. E., Vegelyte D., Joosse M., Anton N., Toebes B. J., Lauko J., Buzzacchera I., Lipinska K., Wilson D. A., Geelhoed-Duijvestijn N., Wilson C. J. Clinical Evidence for Use of a Noninvasive Biosensor for Tear Glucose as an Alternative to Painful Finger-Prick for Diabetes Management Utilizing a Biopolymer Coating // Biomacromolecules. 2018. V. 19. № 11. P. 4504-4511.

35. Karyakin A. A., Nikulina S. V., Vokhmyanina D. V., Karyakina E. E., Anaev E. K. H., Chuchalin A. G. Non-invasive monitoring of diabetes through analysis of the exhaled breath condensate (aerosol) // Electrochem. Commun. 2017. V. 83. P. 81-84.

36. Blood glucose concentration sensor-uses a low pressure suction device to extract a decoction through the skin for electrochemical analysis. Patent JP2586594-B2; JP2057238-A. 1997.

37. Rao G., Glikfeld P., Guy R H. Reverse iontophoresis - development of a noninvasive approach for glucose monitoring // Pharm. Res. 1993. V. 10. № 12. P. 1751-1755.

38. Tierney M. J. Electrode assembly for transcutaneous reverse-iontophoresis diagnostic system, especially for blood glucose determination. Patent US5954685-A. 1999.

39. Bandodkar A. J., Jia W., Yardimci C., Wang X., Ramirez J., Wang J. Tattoo-Based Noninvasive Glucose Monitoring: A Proof-of-Concept Study // Anal. Chem. 2015. V. 87. № 1. P. 394-398.

40. EmaminejadS., Gao W., Wu E., Davies Z. A., Nyein H. Y. Y., Challa S., Ryan S. P., FahadH. M., Chen K., Shahpar Z., Talebi S., Milla C., Javey A., Davis R W. Autonomous sweat extraction and analysis applied to cystic fibrosis and glucose monitoring using a fully integrated wearable platform // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2017. V. 114. № 18. P. 4625-4630.

41. Barben J., Casaulta C., Spinas R., Schoeni M. H., Swiss Working Grp Cystic F. Sweat testing practice in Swiss hospitals // Swiss Med. Wkly. 2007. V. 137. № 13-14. P. 192-198.

42. Naehrlich L. Sweat testing practices in German cystic fibrosis centres // Klinische Padiatr. 2007. V. 219. № 2. P. 70-73.

43. Jia W. Z., Bandodkar A. J., Valdes-Ramirez G., Windmiller J. R., Yang Z. J., Ramirez J., Chan G., Wang J. Electrochemical tattoo biosensors for real-time noninvasive lactate monitoring in human perspiration // Anal. Chem. 2013. V. 85. № 14. P. 6553-6560.

44. Pribil M. M., Laptev G. U., Karyakina E. E., Karyakin A. A. Noninvasive hypoxia monitor based on gene-free engineering of lactate oxidase for analysis of undiluted sweat // Anal. Chem. 2014. V. 86. № 11. P. 5215-5219.

45. Zaryanov N. V., Nikitina V. N., Karpova E. V., Karyakina E. E., Karyakin A. A. Nonenzymatic sensor for lactate detection in human sweat // Anal. Chem. 2017. V. 89. № 21. P. 11198-11202.

46. Sakharov D. A. S. M. U., Vagin M. Yu., Yashina E. I. , Karyakin A. A. , and Tonevitsky A. G. Relationship between lactate concentrations in active muscle sweat and whole blood. // Bull. Exp. Biol. Med. 2010. V. 150. № 1. P. 83-85.

47. Cai X., Yan J., Chu H., Wu M., Tu Y. An exercise degree monitoring biosensor based on electrochemiluminescent detection of lactate in sweat // Sens. Actuator B: Chem. 2010. V. 143. № 2. P. 655-659.

48. Gao W., Emaminejad S., Nyein H. Y. Y., Challa S., Chen K., Peck A., Fahad H. M., Ota H., Shiraki H., Kiriya D., Lien D.-H., Brooks G. A., Davis R W., Javey A. Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis // Nature. 2016. V. 529. P. 509.

49. Lee H., Song C., Hong Y. S., Kim M. S., Cho H. R., Kang T., Shin K., Choi S. H., Hyeon T., Kim D.-H. Wearable/disposable sweat-based glucose monitoring device with multistage transdermal drug delivery module // Sci. Adv. 2017. V. 3. № 3. P. e1601314.

50. Harvey C. J., LeBouf R. F., Stefaniak A. B. Formulation and stability of a novel artificial human sweat under conditions of storage and use // Toxicol. Vitro. 2010. V. 24. № 6. P. 17901796.

51. Moyer J., Wilson D., Finkelshtein I., Wong B., Potts R Correlation Between Sweat Glucose and Blood Glucose in Subjects with Diabetes // Diabetes Technol. Ther. 2012. V. 14. № 5. P. 398-402.

52. Burn J. H. The secretion of sweat and vaso-dilatation produced by pilocarpine // J. Physiol.-London. 1925. V. 60. № 5/6. P. 365-378.

53. Newman J. D., Turner A. P. F. Home blood glucose biosensors: a commercial perspective // Biosens. Bioelectron. 2005. V. 20. № 12. P. 2435-2453.

54. Turner A. Biosensors: then and now // Trends Biotechnol. 2013. V. 31. № 3. P. 119-120.

55. Thevenot D. R., Toth K., Durst R. A., Wilson G. S. Electrochemical biosensors: recommended definitions and classification // Biosens. Bioelectron. 2001. V. 16. № 1. P. 121-131.

56. Карякин А. А., Уласова Е. А., Вагин М. Ю., Карякина Е. Е. Биосенсоры: устройство, классификация и функциональные характеристики // Сенсор. 2002. V. 1. P. 16-22.

57. Homola J., Yee S. S., Gauglitz G. Surface plasmon resonance sensors: review // Sens. Actuator B: Chem. 1999. V. 54. № 1. P. 3-15.

58. Song Y., Wei W., Qu X. Colorimetric biosensing using smart materials // Adv. Mater. 2011. V. 23. № 37. P. 4215-4236.

59. Larsson C., Bramfeldt H., Wingren C., Borrebaeck C., Hook F. Gravimetric antigen detection utilizing antibody-modified lipid bilayers // Anal. Biochem. 2005. V. 345. № 1. P. 7280.

60. Lee H. J., ParkK. K., KupnikM., Oralkan O., Khuri-Yakub B. T. Chemical Vapor Detection Using a Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer // Anal. Chem. 2011. V. 83. № 24. P. 9314-9320.

61. da Silva E. T. S. G., Souto D. E. P., Barragan J. T. C., de F. Giarola J., de Moraes A. C. M., Kubota L. T. Electrochemical Biosensors in Point-of-Care Devices: Recent Advances and Future Trends // ChemElectroChem. 2017. V. 4. № 4. P. 778-794.

62. Березин И. В., Клячко Н. Л., Левашов А. В., Мартинек К., Можаев В. В. Иммобилизованные ферменты. М.: "Высшая школа", 1987. 159 с.

63. Nelson J. M., Griffin E. G. Adsorption of invertase // J. Am. Chem. Soc. 1916. V. 38. № 5. P. 1109-1115.

64. Clark L. C., Lyons C. Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery // Ann. N.Y. Acad. Sci. 1962. V. 102. № 1. P. 29-45.

65. Updike S. J., Hicks G. P. The Enzyme Electrode // Nature. 1967. V. 214. P. 986.

66. Gupta M. N., Mattiasson B. Unique Applications of Immobilized Proteins in Bioanalytical Systems // Methods Biochem. Anal. 1992. V. 36. P. 1-34.

67. Karyakin A. A., Gitelmacher O. V., Karyakina E. E. A high-sensitive glucose amperometric biosensor based on Prussian Blue modified electrodes // Anal. Lett. 1994. V. 27. № 15. P. 28612869.

68. Karyakin A. A., Kotel'nikova E. A., Lukachova L. V., Karyakina E. E., Wang J. Optimal environment for glucose oxidase in perfluorosulfonated ionomer membranes: Improvement of first-generation biosensors // Anal. Chem. 2002. V. 74. № 7. P. 1597-1603.

69. Yashina E. I., Borisova A. V., Karyakina E. E., Shchegolikhina O. I., Vagin M. Y., Sakharov D. A., Tonevitsky A. G., Karyakin A. A. Sol-Gel Immobilization of Lactate Oxidase from Organic Solvent: Toward the Advanced Lactate Biosensor // Anal. Chem. 2010. V. 82. № 5. P. 1601-1604.

70. Pribil M. M., Cortes-Salazar F., Andreyev E. A., Lesch A., Karyakina E. E., Voronin O. G., Girault H. H., Karyakin A. A. Rapid optimization of a lactate biosensor design using soft probes scanning electrochemical microscopy // J. Electroanal. Chem. 2014. V. 731. P. 112-118.

71. Варфоломеев С. Д. Биосенсоры // СОЖ. 1997. Т. 1. С. 45-49.

72. Karyakin A. A., Karyakina E. E. Prussian Blue-based 'artificial peroxidase' as a transducer for hydrogen peroxide detection. Application to biosensors // Sens. Actuator B: Chem. 1999. V. 57. № 1. P. 268-273.

73. Zhang Y., Wilson G. S. Electrochemical oxidation of H2O2 on Pt and Pt + Ir electrodes in physiological buffer and its applicability to H2O2-based biosensors // J. Electroanal. Chem. 1993. V. 345. № 1. P. 253-271.

74. Evans S. A. G., Elliott J. M., Andrews L. M., Bartlett P. N., Doyle P. J., Denuault G. Detection of hydrogen peroxide at mesoporous platinum microelectrodes // Anal. Chem. 2002. V. 74. № 6. P. 1322-1326.

75. Kicela A., Daniele S. Platinum black coated microdisk electrodes for the determination of high concentrations of hydrogen peroxide in phosphate buffer solutions // Talanta. 2006. V. 68. № 5. P. 1632-1639.

76. Karam P., Halaoui L. I. Sensing of H2O2 at low surface density assemblies of Pt nanoparticles in polyelectrolyte // Anal. Chem. 2008. V. 80. № 14. P. 5441-5448.

77. Ruzgas T., Csöregi E., Emnéus J., Gorton L., Marko-Varga G. Peroxidase-modified electrodes: Fundamentals and application // Anal. Chim. Acta. 1996. V. 330. № 2. P. 123-138.

78. Ekanayake E. M. I. M., Preethichandra D. M. G., Kaneto K. Bi-functional amperometric biosensor for low concentration hydrogen peroxide measurements using polypyrrole immobilizing matrix // Sens. Actuator B: Chem. 2008. V. 132. № 1. P. 166-171.

79. Yu X., Sotzing G. A., Papadimitrakopoulos F., Rusling J. F. Wiring of enzymes to electrodes by ultrathin conductive polyion underlayers: Enhanced catalytic response to hydrogen peroxide // Anal. Chem. 2003. V. 75. P. 4565 - 4571.

80. Liu S.-Q., Ju H.-X. Renewable reagentless hydrogen peroxide sensor based on direct electron transfer of horseradish peroxidase immobilized on colloidal gold-modified electrode // Anal. Biochem. 2002. V. 307. № 1. P. 110-116.

81. Lin M. S., Leu H. J. A Fe3O4-Based chemical sensor for cathodic determina-tion of hydrogen peroxide // Electroanal. 2005. V. 17. № 22. P. 2068 - 2073.

82. Karyakin A. A., Puganova E. A., Bolshakov I. A., Karyakina E. E. Electrochemical sensor with record performance characteristics // Angew. Chem. Int. Ed. 2007. V. 46. № 40. P. 76787680.

83. Hall S. B., Khudaish E. A., Hart A. L. Electrochemical oxidation of hydrogen peroxide at platinum electrodes. Part 1. An adsorption-controlled mechanism // Electrochim. Acta. 1998. V. 43. № 5. P. 579-588.

84. Batchelor-McAuley C. An electrochemical comparison of manganese di-oxide microparticles versus a and P manganese dioxide nanorods: mechanistic and electrocatalytic behaviour // New J. Chem. 2008. V. 32. P. 1195-1203.

85. Lin Y., Cui X., Li L. Low-potential amperometric determination of hydrogen peroxide with a carbon paste electrode modified with nanostructured cryptomelane-type manganese oxides // Electrochem. Commun. 2005. V. 7. P. 166-172.

86. Yanga Y. J., Hu S. Electrodeposited MnO2/Au composite film with improved electrocatalytic activity for oxidation of glucose and hydrogen peroxide // Electrochim. Acta. 2010. V. 55. P. 3471-3476.

87. Neff V. D. Electrochemical oxidation and reduction of thin films of Prussian Blue // J. Electrochem. Soc. 1978. V. 128. № 6. P. 886-887.

88. Itaya K., Uchida I., Neff V. D. Electrochemistry of polynuclear transition metal cyanides: Prussian blue and its analogues // Acc. Chem. Res. 1986. V. 19. № 6. P. 162-168.

89. Ellis D., Eckhoff M., Neff V. D. Electrochromism in the mixed-valence hexacyanides. 1. Voltammetric and spectral studies of the oxidation and reduction of thin films of Prussian blue // J. Phys. Chem. 1981. V. 85. № 9. P. 1225-1231.

90. Crumbliss A. L., Lugg P. S., Morosoff N. Alkali metal cation effects in a Prussian blue surface modified electrode // Inorg. Chem. 1984. V. 23. № 26. P. 4701-4708.

91. Ito A., Suenaga M., Ono K. Mossbauer study of soluble prussian blue insoluble Prussian blue and turnbulls blue // J. Chem. Phys. 1968. V. 48. № 8. P. 3597-3599.

92. Ricci F., Amine A., Palleschi G., Moscone D. Prussian Blue based screen printed biosensors with improved characteristics of long-term lifetime and pH stability // Biosens. Bioelectron. 2003. V. 18. № 2. P. 165-174.

93. Ben Rejeb I., Arduini F., Amine A., Gargouri M., Palleschi G. Amperometric biosensor based on Prussian Blue-modified screen-printed electrode for lipase activity and triacylglycerol determination // Anal. Chim. Acta. 2007. V. 594. № 1. P. 1-8.

94. Borisova A. V., Karyakina E. E., Cosnier S., Karyakin A. A. Current-free deposition of Prussian Blue with organic polymers: towards improved stability and mass production of the advanced hydrogen peroxide transducer // Electroanal. 2009. V. 21. № 3-5. P. 409-414.

95. Scheller F. W. Application of enzyme amperometric biosensors to analysis of real objects // Biosensor : Fundamental and Applications. 1987.

96. Karyakin A. A., Karyakina E. E., Gorton L. The electrocatalytic activity of Prussian blue in hydrogen peroxide reduction studied using a wall-jet electrode with continuous flow // J. Electroanal. Chem. 1998. V. 456. № 1. P. 97-104.

97. Karyakin A. A., Karyakina E. E., Gorton L. On the mechanism of H2O2 reduction at Prussian Blue modified electrodes // Electrochem. Commun. 1999. V. 1. № 2. P. 78-82.

98. Komkova M. A., Karyakina E. E., Karyakin A. A. Noiseless performance of prussian blue based (bio)sensors through power generation // Anal. Chem. 2017. V. 89. № 12. P. 6290-6294.

99. Komkova M. A., Karyakina E. E., Karyakin A. A. Power Generation versus Conventional Potentiostatic Operation of Prussian Blue Based (Bio)Sensors // Electroanal. 2018. V. 30. № 4. P. 607-610.

100. Walling C. Fenton's reagent revisited // Acc. Chem. Res. 1975. V. 8. № 4. P. 125-131.

101. Han L., Wang Q., Tricard S., Liu J., Fang J., Zhao J., Shen W. Amperometric detection of hydrogen peroxide utilizing synergistic action of cobalt hexacyanoferrate and carbon nanotubes chemically modified with platinum nanoparticles // Rsc Adv. 2013. V. 3. № 1. P. 281-287.

102. Sangeetha N. S., Narayanan S. S. A novel bimediator amperometric sensor for electrocatalytic oxidation of gallic acid and reduction of hydrogen peroxide // Anal. Chim. Acta. 2014. V. 828. P. 34-45.

103. Wang Z., Hao X., Zhang Z., Liu S., Liang Z., Guan G. One-step unipolar pulse electrodeposition of nickel hexacyanoferrate/chitosan/carbon nanotubes film and its application in hydrogen peroxide sensor // Sens. Actuator B: Chem. 2012. V. 162. № 1. P. 353-360.

104. Guadagnini L., Tonelli D., Giorgetti M. Improved performances of electrodes based on Cu2+-loaded copper hexacyanoferrate for hydrogen peroxide detection // Electrochim. Acta. 2010. V. 55. № 17. P. 5036-5039.

105. Pauliukaite R., Florescu M., Brett C. M. A. Characterization of cobalt- and copper hexacyanoferrate-modified carbon film electrodes for redox-mediated biosensors // J. Solid State Electrochem. 2005. V. 9. № 5. P. 354-362.

106. Shan Lin M., Feng Tseng T. Chromium(III) hexacyanoferrate(II)-based chemical sensor for the cathodic determination of hydrogen peroxide // Analyst. 1998. V. 123. № 1. P. 159-163.

107. Lin M. S., Jan B. I. Determination of hydrogen peroxide by utilizing a cobalt(II)hexacyanoferrate-modified glassy carbon electrode as a chemical sensor // Electroanal. 1997. V. 9. № 4. P. 340-344.

108. Garcia-Jareno J. J., Navarro-Laboulais J., Vicente F. Electrochemical study of Nafion membranes/Prussian blue films on ITO electrodes // Electrochim. Acta. 1996. V. 41. № 17. P. 2675-2682.

109. Lukachova L. V., Kotel'nikova E. A., D'Ottavi D., Shkerin E. A., Karyakina E. E., Moscone D., Palleschi G., Curulli A., Karyakin A. A. Nonconducting polymers on Prussian blue modified electrodes: Improvement of selectivity and stability of the advanced H2O2 transducer // IEEE Sens. J. 2003. V. 3. № 3. P. 326-332.

110. Bharathi S., Lev O. Sol-gel-derived prussian blue-silicate amperometric glucose biosensor // Appl. Biochem. Biotechnol. 2000. V. 89. № 2-3. P. 209-216.

111. Guo Y., Guadalupe A. R., Resto O., Fonseca L. F., Weisz S. Z. Chemically derived Prussian Blue sol-gel composite thin films // Chem. Mater. 1999. V. 11. № 1. P. 135-140.

112. Salimi A., Abdi K. Enhancement of the analytical properties and catalytic activity of a nickel hexacyanoferrate modified carbon ceramic electrode prepared by two-step sol-gel technique: application to amperometric detection of hydrazine and hydroxyl amine // Talanta. 2004. V. 63. № 2. P. 475-483.

113. KonckiR., Wolfbeis O. S. Composite films of Prussian Blue and N-substituted polypyrroles: Fabrication and application to optical determination of pH // Anal. Chem. 1998. V. 70. № 13. P. 2544-2550.

114. Zamponi S., Berrettoni M., Kulesza P. J., Miecznikowski K., Malik M. A., Makowski O., Marassi R. Influence of experimental conditions on electrochemical behavior of Prussian blue type nickel hexacyanoferrate film // Electrochim. Acta. 2003. V. 48. № 28. P. 4261-4269.

115. De Tacconi N. R., Rajeshwar K., Lezna R. O. Metal hexacyanoferrates: Electrosynthesis, in situ characterization, and applications // Chem. Mater. 2003. V. 15. № 16. P. 3046-3062.

116. Keggin J. F., Miles F. D. Structures and Formula of the Prussian Blues and Related Compounds // Nature. 1936. V. 137. № 3466. P. 577-578.

117. Sitnikova N. A., Mokrushina A. V., Karyakin A. A. Iron triad-mate hexacyanoferrates as Prussian Blue stabilizers: Toward the advanced hydrogen peroxide transducer // Electrochim. Acta. 2014. V. 122. P. 173-179.

118. Polanski M., Anderson N. L. A list of candidate cancer biomarkers for targeted proteomics // Biomark. Insights. 2007. V. 1. P. 1-48.

119. Anderson L. Candidate-based proteomics in the search for biomarkers of cardiovascular disease // J Physiol. 2005. V. 563. № Pt 1. P. 23-60.

120. Walsh C. T., Garneau-Tsodikova S., Gatto Jr G. J. Protein Posttranslational Modifications: The Chemistry of Proteome Diversifications // Angew. Chem. Int. Ed. 2005. V. 44. № 45. P. 7342-7372.

121. Pacher P., Beckman J. S., Liaudet L. Nitric Oxide and Peroxynitrite in Health and Disease // Physiol. Rev. 2007. V. 87. № 1. P. 315-424.

122. ButterfieldD. A., PerluigiM., SultanaR. Oxidative stress in Alzheimer's disease brain: New insights from redox proteomics // Eur. J. Pharmacol. 2006. V. 545. № 1. P. 39-50.

123. Palecek E., Ostatna V. Electroactivity of nonconjugated proteins and peptides. Towards electroanalysis of all proteins // Electroanal. 2007. V. 19. № 23. P. 2383-2403.

124. Suprun E. V., Shumyantseva V. V., Archakov A. I. Protein electrochemistry: application in medicine. A review // Electrochim. Acta. 2014. V. 140. P. 72-82.

125. Wei M. Y., Guo L. H., Famouri P. Electrocatalytic oxidation of tyrosines shows signal enhancement in label-free protein biosensors // Trac-Trends Anal. Chem. 2012. V. 39. P. 130148.

126. Brabec V., Mornstein V. Electrochemical-behavior of proteins at graphite-electrodes .1. Electrooxidation of proteins as a new probe of protein-structure and reactions // Biochim. Biophys. Acta. 1980. V. 625. № 1. P. 43-50.

127. Reynaud J. A., Malfoy B., Bere A. The electrochemical oxidation of 3 proteins - RNAase-A, bovine serum-albumin and concanavalin-A at solid electrodes // Bioelectrochem. Bioenerg. 1980. V. 7. № 3. P. 595-606.

128. Chiku M., Ivandini T. A., Kamiya A., Fujishima A., Einaga Y. Direct electrochemical oxidation of proteins at conductive diamond electrodes // J. Electroanal. Chem. 2008. V. 612. № 2. P. 201-207.

129. Chiku M., Nakamura J., Fujishima A., Einaga Y. Conformational change detection in nonmetal proteins by direct electrochemical oxidation using diamond electrodes // Anal. Chem. 2008. V. 80. № 15. P. 5783-5787.

130. Dorcak V., Ostatna V., Palecek E. Electrochemical reduction and oxidation signals of angiotensin peptides. Role of individual amino acid residues // Electrochem. Commun. 2013. V. 31. P. 80-83.

131. Enache T. A., Oliveira-Brett A. M. Peptide methionine sulfoxide reductase A (MsrA): Direct electrochemical oxidation on carbon electrodes // Bioelectrochemistry. 2013. V. 89. P. 1118.

132. Enache T. A., Oliveira-Brett A. M. Alzheimer's disease amyloid beta peptides in vitro electrochemical oxidation // Bioelectrochemistry. 2017. V. 114. P. 13-23.

133. Somji M., Dounin V., Muench S. B., Schulze H., Bachmann T. T., Kerman K. Electroanalysis of amino acid substitutions in bioengineered acetylcholinesterase // Bioelectrochemistry. 2012. V. 88. P. 110-113.

134. Suprun E. V., Khmeleva S. A., Radko S. P., Kozin S. A., Archakov A. I., Shumyantseva V. V. Direct electrochemical oxidation of amyloid-beta peptides via tyrosine, histidine, and methionine residues // Electrochem. Commun. 2016. V. 65. P. 53-56.

135. Suprun E. V., Radko S. P., Khmeleva S. A., Mitkevich V. A., Archakov A. I., Makarov A. A., Shumyantsev V. V. Electrochemical oxidation of amyloid-beta peptide isoforms on carbon screen printed electrodes // Electrochem. Commun. 2017. V. 75. P. 33-37.

136. Suprun E. V., Zharkova M. S., Morozevich G. E., Veselovsky A. V., Shumyantseva V. V., Archakov A. I. Analysis of redox activity of proteins on the carbon screen printed electrodes // Electroanal. 2013. V. 25. № 9. P. 2109-2116.

137. Topal B. D., Ozkan S. A., Uslu B. Direct electrochemistry of native and denatured alpha-2-Macroglobulin by solid electrodes // J. Electroanal. Chem. 2014. V. 719. P. 14-18.

138. VestergaardM., Kerman K., Saito M., Nagatani N., Takamura Y., Tamiya E. A rapid labelfree electrochemical detection and kinetic study of Alzheimer's amyloid beta aggregation // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. № 34. P. 11892-11893.

139. Hampson N. A., Lee J. B., Macdonal.Ki, Shaw M. J. Oxidations involving silver .8. A study of oxidation of alpha-amino-acids at silver electrodes // J. Chem. Soc. B. 1970. № 9. P. 17661769.

140. Hampson N. A., Macdonal.Ki, Lee J. B. Oxidations at copper electrodes .4. Oxidation of alpha-amino acids // J. Electroanal. Chem. 1972. V. 34. № 1. P. 91-99.

141. Martens D. A., Frankenberger W. T. Pulsed amperometric detection of amino-acids separated by anion-exchange chromatography // J. Liq. Chromatogr. 1992. V. 15. № 3. P. 423439.

142. Fedorowski J., LaCourse W. R. A review of pulsed electrochemical detection following liquid chromatography and capillary electrophoresis // Anal. Chim. Acta. 2015. V. 861. P. 1-11.

143. Olson M. P., Keating L. R, LaCourse W. R. Indirect pulsed electrochemical detection of amino acids and proteins following high performance liquid chromatography // Anal. Chim. Acta. 2009. V. 652. № 1-2. P. 198-204.

144. Bartesaghi S., Radi R Fundamentals on the biochemistry of peroxynitrite and protein tyrosine nitration // Redox Biol. 2018. V. 14. P. 618-625.

145. Bischoff R., Schluter H. Amino acids: Chemistry, functionality and selected non-enzymatic post-translational modifications // J. Proteomics. 2012. V. 75. № 8. P. 2275-2296.

146. Soskic V., Groebe K., Schrattenholz A. Nonenzymatic posttranslational protein modifications in ageing // Exp. Gerontol. 2008. V. 43. № 4. P. 247-257.

147. Qu N., Guo L. H., Zhu B. Z. An electrochemical biosensor for the detection of tyrosine oxidation induced by Fenton reaction // Biosens. Bioelectron. 2011. V. 26. № 5. P. 2292-2296.

148. Qu N., Wan B., Guo L. H. Label-free electrochemical differentiation of phosphorylated and non-phosphorylated peptide by electro-catalyzed tyrosine oxidation // Analyst. 2008. V. 133. № 9. P. 1246-1249.

149. Yang Y., Gu Y. X., Wan B., Ren X. M., Guo L. H. Label-free electrochemical biosensing of small-molecule inhibition on O-GlcNAc glycosylation // Biosens. Bioelectron. 2017. V. 95. P. 94-99.

150. Yang Y., Guo L. H., Qu N., Wei M. Y., Zhao L. X., Wan B. Label-free electrochemical measurement of protein tyrosine kinase activity and inhibition based on electro-catalyzed tyrosine signaling // Biosens. Bioelectron. 2011. V. 28. № 1. P. 284-290.

151. Борисова А. В. Электрохимические (био)сенсоры на основе Fe-Ni гексацианоферратов, синтезированных при потенциале разомкнутой цепи. Дисс. канд. хим. наук. М.: Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 2011. 128 c.

152. Garjonyte R, Malinauskas A. Operational stability of amperometric hydrogen peroxide sensors, based on ferrous and copper hexacyanoferrates // Sens. Actuator B: Chem. 1999. V. 56. № 1. P. 93-97.

153. Florescu M., Brett C. M. A. Development and characterization of cobalt hexacyanoferrate modified carbon electrodes for electrochemical enzyme Biosensors // Anal. Lett. 2004. V. 37. № 5. P. 871-886.

154. Koutecky J., Levich B. G. The application of the rotating disc electrode to studies of kinetic and catalytic processes // Zhurnal Fiz. Khimii. 1958. V. 32. № 7. P. 1565-1575.

155. Yamada J., Matsuda H. Limiting diffusion currents in hydrodynamic voltammetry .3. Wall jet electrodes // J. Electroanal. Chem. 1973. V. 44. № 2. P. 189-198.

156. Albery W. J., Bruckenstein S. Uniformly accessible electrodes // J. Electroanal. Chem. 1983. V. 144. № 1-2. P. 105-112.

157. Stern K. G. Concerning the diffusion of hydroperoxides in various solvent media // Berichte Der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 1933. V. 66. P. 547-554.

158. Hou W. Y., Wang E. K. Liquid-chromatography with electrocatalytic detection of cysteine, n-acetylcysteine and glutathione by a prussian blue film-modified electrode // J. Electroanal. Chem. 1991. V. 316. № 1-2. P. 155-163.

159. Chen L. C., Ho K. C. Multimode optoelectrochemical detection of cysteine based on an electrochromic Prussian blue electrode // Sens. Actuator B-Chem. 2008. V. 130. № 1. P. 418424.

160. Roushani M., Shamsipur M., Pourmortazavi S. M. Amprometric detection of Glycine, l-Serine, and l-Alanine using glassy carbon electrode modified by NiO nanoparticles // J. Appl. Electrochem. 2012. V. 42. № 12. P. 1005-1011.

161. Komkova M. A., Karpova E. V., Sukhorukov G. A., Sadovnikov A. A., Karyakin A. A. Estimation of continuity of electroactive inorganic films based on apparent anti-Ohmic trend in their charge transfer resistance // Electrochim. Acta. 2016. V. 219. P. 588-591.

162. Gibson L. E., Cooke R. E. A test for concentration of electrolytes in sweat in cystic fibrosis of the pancreas utilizing pilocarpine by iontophoresis // Pediatrics. 1959. V. 23. № 3. P. 545-549.

163. Koh A., Kang D., Xue Y., Lee S., Pielak R. M., Kim J., Hwang T., Min S., Banks A., Bastien P., Manco M. C., Wang L., Ammann K. R., Jang K.-I., Won P., Han S., Ghaffari R., Paik U., Slepian M. J., Balooch G., Huang Y., Rogers J. A. A soft, wearable microfluidic device for the capture, storage, and colorimetric sensing of sweat // Sci. Transl. Med. 2016. V. 8. № 366.

164. Derbyshire P. J., Barr H., Davis F., Higson S. P. J. Lactate in human sweat: a critical review of research to the present day // J. Physiol. Sci. 2012. V. 62. № 6. P. 429-440.

165. Alvear-Ordenes I., Garcia-Lopez D., De Paz J. A., Gonzalez-Gallego J. Sweat lactate, ammonia, and urea in rugby players // Int. J. Sports Med. 2005. V. 26. № 8. P. 632-637.

166. Ament W., Huizenga J. R., Mook G. A., Gips C. H., Verkerke G. J. Lactate and ammonia concentration in blood and sweat during incremental cycle ergometer exercise // Int. J. Sports Med. 1997. V. 18. № 1. P. 35-39.

167. Green J. M., Bishop P. A., Muir I. H., McLester J. R., Heath H. E. Effects of high and low blood lactate concentrations on sweat lactate response // Int. J. Sports Med. 2000. V. 21. № 8. P. 556-560.

168. Green J. M., Pritchett R. C., Crews T. R., McLester J. R., Tucker D. C. Sweat lactate response between males with high and low aerobic fitness // Eur. J. Appl. Physiol. 2004. V. 91. № 1.P. 1-6.

169. Gordon R S., Thompson R. H., Muenzer J., Thrasher D. Sweat lactate in man is derived from blood glucose // J. Appl. Physiol. 1971. V. 31. № 5. P. 713-716.

170. Krustrup P., Mohr M., Steensberg A., Bencke J., Kjaer M., Bangsbo J. Muscle and blood metabolites during a soccer game: Implications for sprint performance // Med. Sci. Sport. Exer. 2006. V. 38. № 6. P. 1165-1174.