Разработка Липецкого государственного технического университета и Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН позволяет сократить с 24 до 1,5 ч время подготовки сенсора на основе магнитных углеродных нанокомпозитов для быстрого выявления в продуктах животноводства ципрофлоксацина – антибиотика широкого профиля, активно применяющегося в ветеринарии.

Пьезоэлектрические сенсоры положительно зарекомендовали себя в анализе пищевых продуктов, объектов окружающей среды, биологических сред. Практически без предварительной пробоподготовки удается осуществлять экспрессное определение остаточных количеств лекарственных препаратов, пестицидов, природных токсинов в различных пробах. Их наличие определяется по уменьшению частоты колебаний распознающего слоя из-за увеличения его массы вследствие образования связей с анализируемым веществом.

Чувствительность такого сенсора определяется концентрацией и пространственной доступностью распознающих молекул на поверхности электрода. В последнее время при разработке сенсоров применяют различные наноматериалы, в частности, углеродные нанотрубки (УНТ), способствующие увеличению удельной поверхности распознающего слоя без существенного увеличения его массы.

Обычно наносят несколько слоев распознающего покрытия с образованием устойчивых связей между металлическим электродом и слоями, что является залогом многократного применения сенсора. Однако процесс формирования такого многослойного покрытия занимает много времени, и часто происходит его разрушение вследствие разрыва связей с поверхностью металлического электрода.

Поэтому значительная часть современных исследований по созданию биосенсоров посвящена применению магнитных наночастиц (МНЧ), скомбинированных с углеродными нанотрубками, которые позволяют образовывать распознающий слой на электроде не за счет устойчивых связей, а за счет приложения внешнего магнитного поля. Они просто притягиваются к электроду подложенным под него магнитом.

Применение магнитных углеродных нанокомпозитов (МУНК) открывает новые возможности в биосенсорике, позволяя существенно упростить процедуру подготовки сенсора к анализу. Для использования этой технологии российскими учеными была разработана ячейка детектирования пьезоэлектрического сенсора. В качестве сенсоров в ней применены пьезокварцевые резонаторы с золотыми электродами диаметром 8 мм. Сенсор помещается в ячейку детектирования над неодимовым магнитом, после чего на него наносится специальный раствор, содержащий вещества, образующие связи с ципрофлоксацином.

Ячейка детектирования пьезоэлектрического сенсора на основе магнитных углеродных нанокомпозитов. Предел обнаружения ципрофлоксацина составляет 2 нг/мл, диапазон определяемых содержаний – 5–400 нг/мл.

В ходе исследований было обнаружено, что на массу и устойчивость распознающего слоя пьезоэлектрического сенсора на основе МУНК существенное влияние оказывают различные параметры, например – размер магнитных частиц на поверхности углеродных нанотрубок. Использование нанокомпозита с МНЧ слишком большого размера приводит к чрезмерному утяжелению покрытия, что сопровождается срывом измерений. В то же время отмечено, что частицы размером в несколько десятков нанометров проявляют хорошие магнитные свойства, что обеспечивает высокую устойчивость распознающего слоя, формируемого под действием магнитного поля.

Исследовались МУНК с разными размерами МНЧ: с частицами сферической формы диаметром 64 ± 5 нм, равномерно распределенными на поверхности углеродных нанотрубок (а), и с частицами диаметром 80 ± 18 нм с формой, близкой к сферической (б).

Результаты исследований подтвердили, что с помощью пьезоэлектрического сенсора с распознающим слоем на основе магнитных углеродных нанокомпозитов можно осуществлять чувствительное и селективное определение ципрофлоксацина в пищевой продукции. При этом существенно упрощается процедура создания распознающего слоя за счет применения внешнего магнитного поля, что в свою очередь позволяет сократить время подготовки сенсора к анализу по сравнению с традиционно используемыми многослойными способами с 24 до 1,5 ч. Это также способствует увеличению срока службы сенсора – до 33 циклов измерений после регенерации слоя. Увеличивается и срок службы пьезодатчика, так как полное удаление распознающего слоя производится простым извлечением сенсора из ячейки детектирования (то есть снятием внешнего магнитного поля) и не требует применения кислот и органических растворителей, разрушающих поверхность золотого электрода.

Подробнее см. «Пьезоэлектрический иммуносенсор на основе магнитных углеродных нанокомпозитов для определения ципрофлоксацина», Е. В. Бизина, О. В. Фарафонова, Н. И. Золотарева, С. С. Гражулене, Т. Н. Ермолаева. «Журнал аналитической химии», 2022, T. 77, № 4, стр. 375-383.

Редакция сайта РАН