1. Zdj. Grzegorz Krzyżewski

W Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie skonstruowano elektrody pokryte nanocząstkami węgla osadzonymi na drobinach polikrzemianowych. Elektrody z powodzeniem wykorzystano do badania stężeń dopaminy w roztworach w obecności kwasów moczowego i askorbinowego oraz paracetamolu, substancji utrudniających analizę. Opracowana metoda detekcji dopaminy otwiera drogę do tanich i szybkich testów medycznych. Za ich pomocą lekarze już w swoich gabinetach mogliby z dużym prawdopodobieństwem ustalić, czy pacjent cierpi na popularne schorzenia układu nerwowego, takie jak choroba Parkinsona.

Elektrody opracowane w Instytucie Chemii Fizycznej PAN składają się z naprzemiennych warstw drobin polikrzemianowych i nanocząstek węgla. Polikrzemianowe drobiny mają rozmiary od 100 do 300 nanometrów (miliardowych części metra). Jako nieprzewodzące, pełnią jedynie rolę szkieletu rozbudowującego powierzchnię elektrody. Polikrzemiany są gęsto pokryte nanocząstkami węgla (w rozmiarach od 8 do 18 nm), które tworzą właściwą, przewodzącą prąd powierzchnię roboczą.

Wytwarzanie elektrod z nowymi pokryciami jest tanie. Elektrody naprzemiennie zanurza się na kilka sekund w odpowiednio przygotowanych zawiesinach, raz z drobinami polikrzemianowymi, raz z nanocząstkami węglowymi. "Nanocząstki węglowe mają grupy funkcyjne naładowane ujemnie, a polikrzemiany dodatnio. Występujące między nimi oddziaływania elektrostatyczne są dość silne. Sprawdziliśmy, że wielokrotnie powtarzając zanurzenia można na powierzchni elektrody zbudować 'kanapkę' nawet z 24 warstw", opisuje doktorantka Anna Celebańska z IChF PAN.

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN wykorzystali nowe elektrody do detekcji dopaminy w roztworach.

Niedobór dopaminy występuje m.in. w chorobie Parkinsona, zatem jego wykrywanie ma istotne znaczenie medyczne. Zadanie jest trudne, ponieważ stężenie dopaminy w płynach ustrojowych, nawet u osób zdrowych, jest bardzo małe. Co gorsza, w próbkach z dopaminą zazwyczaj są obecne inne substancje, takie jak kwas moczowy i askorbinowy. Oba związki generują podobne sygnały co dopamina, a występują w stężeniach tysiąckrotnie większych.

Aby za pomocą nowej metody sprawdzić stężenie dopaminy, elektrody z nanocząstkami węglowymi zanurza się w odpowiednio przygotowanym roztworze z próbką, po czym przykłada się potencjał elektryczny. Dopamina jest elektrochemicznie aktywna i dobierając odpowiednią wartość potencjału można ją utlenić. Niestety, jej sygnał jest zwykle przesłonięty sygnałami pochodzącymi od kwasów askorbinowego i moczowego. Jednak dzięki nanocząstkom węgla na powierzchni elektrod, wartości potencjałów, przy których następuje utlenienie obu kwasów, zmieniają się. W efekcie piki na wykresie rozdzielają się i sygnał pochodzący od dopaminy staje się widoczny.

"Wyniki przeprowadzonych testów okazały się bardzo dobre. Nasza metoda należy do jednych z najczulszych sposobów detekcji dopaminy. Pozwala wykryć ją w stężeniach do 10-7 mola na litr w obecności substancji przeszkadzających o stężeniu 10-3 mola na litr", mówi Celebańska.

Obecne metody badania stężenia dopaminy są drogie i wymagają specjalistycznego sprzętu. Tymczasem na rynku są dostępne stosunkowo tanie, mieszczące się w dłoni przyrządy do detekcji substancji chemicznych. Gdyby wyposażyć je w nowe elektrody i upowszechnić w gabinetach lekarskich, pacjent o swojej chorobie mógłby dowiedzieć się jeszcze przed końcem wizyty.

Detekcja dopaminy za pomocą nowych elektrod jest możliwa do stężeń odpowiadających stężeniom dopaminy w płynach ustrojowych zdrowego człowieka. Stężenia mniejsze, charakterystyczne dla osób chorych, nie zostaną dokładnie oznaczone i detektor nie zadziała. "Metoda ma naturalny próg detekcji, dzięki któremu potrafimy ustalić, że dopaminy w organizmie jest za mało. Ile za mało? Tego na razie nie umiemy powiedzieć. Mamy jednak nadzieję na dalsze zwiększenie czułości metody", stwierdza prof. dr hab. Marcin Opałło z IChF PAN.

Elektrody pokryte nanocząstkami węglowymi osadzonymi na polikrzemianach powstały w ramach grantu "Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie". Grant, wartości ponad 73 mln złotych, jest finansowany w 85% z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013. Głównymi uczestnikami grantu są Instytut Fizyki PAN (koordynator), Instytut Chemii Fizycznej PAN i Instytut Wysokich Ciśnień PAN. Wyniki badań, poprzedzone zgłoszeniem patentowym, opublikowano w czasopiśmie "Biosensors and Bioelectronics".

Materiał prasowy przygotowany dzięki grantowi NOBLESSE w ramach działania "Potencjał badawczy" VII Programu Ramowego Unii Europejskiej.

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie i farmacji. Instytut publikuje około 200 oryginalnych prac badawczych rocznie.