Обоснование возможности применения высокочувствительных пьезосенсоров в открытой системе для получения диагностической информации о летучих веществах кожи

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрен единичный сенсор с пьезокварцевым трансдьюсером как площадка для имитации “электронного носа”, повторяющий функцию массива сенсоров. Поставлена аналитическая задача покомпонентного обнаружения летучих органических соединений на уровне диагностически значимых концентраций в биопробах без отбора смесей и какой-либо подготовки к измерениям. Обоснована принципиальная возможность применения единичного сенсора для раздельного детектирования (распознавания) паров органических соединений и разных функциональных состояний организма при кратковременном контакте с наиболее представительной и непрерывно функционирующей биопробой – кожей (60–80 с). Определяющую роль в решении такой задачи играет применение в качестве модификатора электродов пьезокварцевых резонаторов объемных акустических волн фазы наногидроксиапатита массой 2–4 мкг. Предложены новые расчетные кинетические параметры сорбции, которые позволяют с высокой надежностью распознать в смеси биомаркеры многих заболеваний, в том числе спирты С3–С5, кетоны, амины линейного и циклического строения, кислоты, альдегиды и др. Сенсор с гидроксиапатитом позволяет отследить наличие молекул, соответствующих патологическим изменениям в работе многих органов и систем, сбоям в функционировании нервной и сердечно-сосудистой систем, оценить реакцию и компенсацию на стресс, голод, усталость. Сенсор перспективен для применения в качестве простой диагностической и мониторирующей тест-системы для point-of-care диагностики взрослых и детей.

Об авторах

Т. А. Кучменко

Воронежский государственный университет инженерных технологий; Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук

Email: tak1907@mail.ru
Россия, 394036, Воронеж, просп. Революции, 19; Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19

Д. А. Менжулина

Воронежский государственный медицинский университет им. Н.Н. Бурденко

Email: tak1907@mail.ru
Россия, 394000, Воронеж, ул. Студенческая, 10

И. А. Мураховский

Воронежский государственный университет инженерных технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: tak1907@mail.ru
Россия, 394036, Воронеж, просп. Революции, 19

Список литературы

  1. Новикова Л.Б., Кучменко Т.А. Аналитические возможности систем искусственного обоняния и вкуса. Часть 1. Электронные носы // Вестник ВГУИТ. 2019. Т. 81. № 3. С. 236. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2019-3-236-241
  2. https://hmdb.ca/metabolites/ (дата обращения 28.8.2022 г.).
  3. Deng Y., Sun J., Jin H., Khatib M., Li X., Wei Z., Wang F., Horev Y.D., Wu W., Haick H. Chemically modified polyaniline for the detection of volatile bio-markers of minimal sensitivity to humidity and bending // Adv Healthc. Mater. 2018. V. 7. № 15. Article e1800232.
  4. Steffens C., Leite F.L., Manzoli A., Sandovall R.D., Fatibello O., Herrmann P.S. Microcantilever sensors coated with a sensitive polyaniline layer for detecting volatile organic compounds // J. Nanosci. Nanotechnol. 2014. V. 14. № 9. P. 6718.
  5. Tao J., Wang X., Sun T., Cai H., Wang Y., Lin T., Fu D., Ting L.L., Gu Y., Zhao D. Hybrid photonic cavity with metal-organic framework coatings for the ultra-sensitive detection of volatile organic compounds with high immunity to humidity// Sci. Rep. 2017. V. 31. № 7 P. 41640.
  6. Khatoon Z., Fouad H., Alothman O.Y., Hashem M., Ansari Z.A., Ansari S.A. Doped SnO2 nanomaterials for E-nose based electrochemical sensing of biomarkers of lung cancer // ACS Omega. 2020. V. 5. № 42. P. 27645.
  7. Qu C., Wang S., Liu L., Bai Y., Li L., Sun F., Hao M., Li T., Lu Q., Li L., Qin S., Zhang T. Bioinspired flexible volatile organic compounds sensor based on dynamic surface wrinkling with dual-signal response // Small. 2019. V. 15. № 17. Article e1900216.
  8. Vishinkin R., Busool R., Mansour E., Fish F., Esmail A., Kumar P., Gharaa A., Cancilla J.C., Torrecilla J.S., Skenders G., Leja M., Dheda K., Singh S., Haick H. Profiles of volatile biomarkers detect tuberculosis from skin // Adv. Sci. 2021. V. 8. № 15. Article 2100235.
  9. Marchesi J.R., Holmes E., Khan F., Kochhar S., Scanlan P., Shanahan F., Wilson I.D., Wang Y. Rapid and noninvasive metabonomic characterization of inflammatory bowel disease // J. Proteome Res. 2007. V. 6. P. 546.
  10. Bain M.A., Faull R., Milne R.W., Evans A.M. Oral L-carnitine: Metabolite formation and hemodialysis // Curr. Drug Metab. 2006. V. 7. P. 811.
  11. Raman M., Ahmed I., GillevetP.M., Probert C.S., Rat-cliffe N.M., Smith S., Greenwood R. Fecal microbiome and volatile organic compound metabolome in obese humans with nonalcoholic fatty liver disease // Clin. Gastroenterol. Hepatol. 2013. V. 11. P. 868.
  12. Azario I., Pievani A., Del Priore F., Antolini L., Santi L., Corsi A., Cardinale L. Neonatal umbilical cord blood transplantation halts skeletal disease progression in the murine model of MPS-I // Sci. Rep. 2017. V. 25. № 7. P. 73.
  13. Liebich H.M., Woll J. Serum volatile substances: Profile analysis and quantification // J. Chromatogr. 1977. V. 11. № 142. P. 505.
  14. Walton C., Fowler D.P., Turner C., Jia W., Whitehead R.N., Griffiths L., Dawson C., Waring R.H., Ramsden D.B., Cole J.A., Cauchi M., Bessant C., Hunter J.O. Analysis of volatile organic compounds of bacterial origin in chronic gastrointestinal diseases // Inflamm. Bowel Dis. 2013. V. 19. P. 2069.
  15. Берсенев В.А. Структура висцерокутанного сенситивного синдрома (патогенез зон Захарьина-Геда) // Журн. невропат. психиатр. 1979. Т. 79. № 7. С. 884.
  16. Лыжко Е.В. Численная модель анализа генерации тепла, кровотока и температуры в зонах Захарьина-Геда // Современные наукоемкие технологии. 2009. № 11. С. 137.
  17. Соломянский А.Е. О кожно-температурных зонах Захарьина–Геда // Журн. невропат психиатр. 1974. Т. 74. № 7. С. 1020.
  18. https://meduniver.com/Medical/Anatom/503.html (дата обращения 29.8.2022 г.).
  19. Кучменко Т.А., Доровская Е.С., Менжулина Д.А., Умарханов Р.У. Патент № 2764964 РФ. Мобильное устройство на основе массива сенсоров для анализа биопроб малого объема. Заявка № 2021110885 от 16.04.2021. Опубл. 24.01.2022.
  20. Кучменко Т.А., Менжулина Д.А. Патент № 2764965 РФ. Одноканальный анализатор выделяемых кожей легколетучих биомолекул. Заявка № 2021110924 от 16.04.2021. Опубл. 24.01.2022.
  21. Кучменко Т.А., Мураховский И.А., Менжулина Д.А. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2021662698, 03.08.2021. Программа “Health by smell of skin (HSMELLSOFT)” для фиксирования, расчета, представления и описания данных односенсорного гаджета. Заявка № 2021616688 от 29.04.2021. Опубл. 24.01.2022.
  22. Буланов Е.Н. Получение и исследование наноструктурированных биосовместимых материалов на основе гидроксиапатита. Нижний Новгород, 2012. 103 с.
  23. Кучменко Т.А., Умарханов Р.У., Менжулина Д.А. Биогидроксиапатит – новая фаза для селективного микровзвешивания паров органических соедине-ний – маркеров воспаления в носовой слизи телят и человека. Сообщение 1. Сорбция в модельных системах // Сорбционные и хроматографические процессы. 2021. Т. 21. № 2. С. 142.
  24. Kuchmenko T.A., Lvova L.B. A Perspective on recent advances in piezoelectric chemical sensors for environmental monitoring and foodstuffs analysis // Chemosensors. 2019. V. 7. № 3. P. 39.
  25. Боченков В.Е., Сергеев Г.Б. Наноматериалы для сенсоров // Успехи химии. 2007. Т. 76. №. 11. С. 1084.
  26. Хатько В.В. Химические сенсоры на основе наноструктурированных материалов. Ч. 1. Газовые сенсоры (обзор) // Приборы и методы измерений. 2014. V. 2. № 9. С. 5.
  27. Wanping Aw, Shinji Fukuda. An integrated outlook on the metagenome and metabolome of intestinal diseases // Diseases. 2015. V. 3. № 4. P. 341.
  28. Кучменко Т.А., Бодренко Е.В., Анохина Е.П. Экспрессный способ анализа крепких спиртных напитков массивом пьезосенсоров “электронный нос” // Аналитика и контроль. 2017. Т. 21. № 3. С. 262.
  29. Кучменко Т.А., Доровская Е.С., Менжулина Д.А., Корнехо Туэрос Х.В., Санабриа Перез Э.А., Гевара Янки П.В., Уанка Вийянес Я.Д.П. Изучение сорбции и возможности идентификации легколетучих биомолекул в смеси по сигналам пьезосенсоров “электронного носа” на микросорбентах // Сорбционные и хроматографические процессы. 2022. Т. 22. № 1. С. 21.
  30. Kuchmenko T.A., Dorovskaya E.S., Umarkhanov R.U., Krylov V.V., Smetankina A.V., Menzhulina D.A., Bityukova V.V. Portable electronic nose system for fast gynecological-conditions diagnosis in consulting room: A case study // Sens. Actuators B: Chem. 2022. T. 358. Article 131538.
  31. Pennazza G., Santonico M., Bartolazzi A., Martinelli, Paolesse R., Di Natale C., Bono R., Tamburrelli V., Cristina S., D’Amico A. Melanoma volatile fingerprint with a gas sensor array: In vivo and in vitro study // Procedia Chemistry. 2009. V. 1. № 1. P. 995.
  32. Mochalski P., Leja M., Slefarska-Wolak D., Mezmale L., Patsko V., Ager C., Królicka A., Mayhew C. A., Shani G., Haick H. Identification of key volatile organic compounds released by gastric tissues as potential non-invasive biomarkers for gastric cancer // Diagnostics. 2023. V. 13. P. 335.
  33. Кучменко Т.А., Шуба А.А. Информативность выходных сигналов “электронного носа” на пьезосенсорах // Аналитика и контроль. 2017. Т. 21. № 2. С. 72.

Дополнительные файлы


© Т.А. Кучменко, Д.А. Менжулина, И.А. Мураховский, 2023