Strzykawki do zadań specjalnych

Nowe technologie przynoszą często zaskakujące rozwiązania w wielu dziedzinach życia jak choćby przy projektowaniu sensorów. Jednym z nich jest elektroniczny język, który umożliwia zbadanie obecności danego związku chemicznego lub określenia stopnia zepsucia żywności po badanie pozornie niemierzalnych informacji, takich jak smak. Takie urządzenia jednak nie powstałoby gdyby nie opracowanie  nowoczesnych, szybkich i niedrogich czujników, takich jak czujniki elektrochemiczne. Najnowsza praca opublikowana przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk pod kierownictwem dr Emilii Witkowskiej Nery demonstruje niedrogie, jonoselektywne elektrody strzykawkowe do ilościowego oznaczania poziomu potasu w produktach spożywczych i suplementach diety. Przyjrzyjmy się bliżej tym badaniom.

Jednym z najważniejszych pierwiastków zaraz po węglu, tlenie, azocie i siarce w organizmie człowieka jest potas. Pierwiastek ten odpowiada m.in. za regulację pH w komórkach, reaktywność mięśni, np. mięśnia sercowego regulującego ciśnienia krwi, a także przekazywanie impulsów elektrycznych w nerwach. Jednak, prawidłowy poziom potasu to nie tylko odpowiednie ciśnienie krwi, ale także zapewnienie właściwej równowagi elektrolitycznej i wydajna praca nerek. Zaburzenia poziomu potasu w organizmie niosą ze sobą poważne konsekwencje zdrowotne jak choćby spowolnienie rytmu serca zwane bradykardią a nawet nieodwracalne uszkodzenie nerwów. Dlatego szybkie i proste oznaczanie poziomu potasu w próbkach jest niebywale istotne i może pomóc w określeniu poziomu tego pierwiastka nie tylko w produktach spożywczych i suplementach diety, ale także w płynach biologicznych.

Ostatnio naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) prowadzący badania pod kierownictwem dr Emilii Witkowskiej Nery zaprezentowali nową, tanią i czułą elektrodę do oznaczania poziomu potasu w żywności i produktach farmaceutycznych. Jest to krok naprzód w precyzyjnym, szybkim i dokładnym oznaczaniu poziomu potasu w płynach biologicznych. Jako, że lepiej zapobiegać niż leczyć, a w zdrowym ciele zdrowy duch, zapewnienie odpowiedniego poziomu potasu w żywności ma ogromne znaczenie dla utrzymania zdrowia i to właśnie ta idea przyświecała naukowcom podczas opracowania nowe czujnika elektrochemicznego.

Badacze z IChF PAN zaprezentowali nowy sensor do określania poziomu potasu w płynnych próbkach żywności, w tym sokach i suplementach mineralnych, przy użyciu szybkiej i prostej techniki, która wykazuje o wiele większą skuteczność w porównaniu do innych urządzeń dostępnych obecnie na rynku, gdyż nie wymaga rekalibracji dla różnych typów próbek. Ich praca podkreśliła przede wszystkim niskie koszty analizy oraz selektywność metody. A wszystko po to, aby w niedalekiej przyszłości każdy mógł samodzielnie sprawdzać poziom potasu i to bez wychodzenia z domu.

Dlaczego potrzebujemy czujników i skąd wziął się pomysł na takie badania? Czujnik to urządzenie służące do wykrywania stężenia substancji w różnych roztworach a nawet w płynach biologicznych takich jak krew, mocz, ślina, itp. Jedną z najważniejszych cech czujników jest ich selektywność, czyli zdolność do reagowania tylko na interesujące substancje w obecności innych, przeszkadzających w pomiarze. Rejestrowany sygnał jest wypadkową sygnału który chcemy mierzyć, ale także substancji przeszkadzających, temperatury itp. Dlatego czujniki są kalibrowane dla określonego rodzaju próbki. Czujnik w domowym glukometrze jest przygotowany do dostarczania dokładnych odczytów stężenia glukozy we krwi z nakłucia palca. Możemy go użyć do pomiaru zawartości glukozy w ślinie, a nawet w produktach spożywczych, ale odczyty nie będą dokładne, po prostu dlatego, że czujnik nie został skalibrowany pod kątem innego pH i substancji przeszkadzających obecnych w tych próbkach. W dzisiejszym świecie pełnym zagrożeń dla zdrowia potrzebujemy czujników w każdej dziedzinie życia, począwszy od czujników diagnostycznych do określania stanu zdrowia pacjenta, po czujniki obecności i poziomu określonych związków chemicznych w danej próbce, np. w próbkach żywności. Często korzystne byłoby użycie tego samego czujnika do różnych rodzajów próbek.

Aby pokazać, że czujniki mogą być bezpośrednio wykorzystywane do pomiaru w różnych próbkach, naukowcy użyli powszechnie znanych i szeroko stosowanych od lat elektrod jonoselektywnych opartych na walinomycynie. Walinomycyna jest cząsteczką rozpoznawczą stosowaną w czujnikach, która oferuje wysoką selektywność wiązania potasu. Do stworzenia czujników wykorzystano jednorazowe strzykawki, stosowane jako alternatywa dla klasycznych, drogich korpusów czujników, zapewniające nie tylko wysoką wydajność i precyzję dzięki zastosowaniu selektywnego jonoforu, ale także obniżenie kosztów analizy poziomu potasu. Niedrogie czujniki strzykawkowe charakteryzowały się doskonałą selektywnością i zakresem liniowym.

"Przedstawiamy nowy i prosty sposób konstruowania elektrod jonoselektywnych o wysokiej czułości i selektywności. Elektrody te mogą być wykonane z łatwo dostępnych materiałów, takich jak jednorazowe strzykawki. Porównanie głównych parametrów analitycznych ze standardowymi elektrodami ISE przygotowanymi przy użyciu komercyjnych materiałów wykazało funkcjonalność czujników strzykawkowych. Powtarzalność pomiarów przy użyciu czujników została dodatkowo potwierdzona przez analizę PCA Loadings i macierz korelacji.” – twierdzi prof. Emilia Witkowska Nery – kierownik projektu.

Jednakże, jak oczekiwano w przypadku tego rodzaju czujników, chociaż wyniki wykazały wyjątkowo wysoką precyzję, dokładność testu była poniżej akceptowalnego limitu dla próbek o bardziej złożonym składzie i wyższej sile jonowej, takich jak barszcz, suszone owoce i produkty pomidorowe. Czujniki muszą być skalibrowane dla każdego rodzaju próbki, aby zapewnić dokładny odczyt.

W celu poprawy dokładności prowadzonego pomiaru bez konieczności dodatkowej kalibracji dla każdego nowego typu próbki przygotowano zestaw czujników. Przetestowano różne warianty czujników strzykawkowych w macierzy. Należało zoptymalizować odpowiedni algorytm, aby wykorzystać informacje z różnych elektrod w próbkach o złożonym składzie chemicznym. Aby określić stężenie potasu w rzeczywistych próbkach, zastosowano różne metody, począwszy od częściowych najmniejszych kwadratów (PLS), wielowymiarowej regresji liniowej (MLR), regresji głównych składowych (PCR) i algorytmu Random Forest (RF), gdzie RF jest metodą zespołową, w której wiele drzew decyzyjnych jest łączonych w celu uzyskania pojedynczego wyniku. Naukowcy sprawdzili również, czy możliwe byłoby zastąpienie najlepszego, ale drogiego jonoforu walinomycyny znacznie tańszym, ale niestety nie tak selektywnym eterem koronowym.

Elżbieta Jarosińska -główna badaczka w projekcie dodaje “W porównaniu z określaniem potasu przy użyciu standardowej krzywej kalibracyjnej, średni błąd kwadratowy przewidywania z proponowanym przez nas czujnikiem był prawie sześciokrotnie niższy. Pokazaliśmy również, jak można zaprojektować matrycę, aby osiągnąć porównywalną wydajność analityczną przy użyciu mniej selektywnych jonoforów, takich jak dibenzo-18-korona-6 zamiast walinomycyny.”

Testy zostały przeprowadzone z użyciem rzeczywistych próbek, takich jak woda mineralna, sok pomidorowy, sok bananowy, suszone daktyle, sos pomidorowy, koncentrat barszczu i farmaceutyczne suplementy potasu. Proponowany system oparty na strzykawkach wykazuje niezwykle wysoką skuteczność w oznaczaniu zawartości potasu w wielu złożonych próbkach zawierających inne jony i substancje organiczne, które mogą wpływać na pomiar. Proponowana metodologia może być również stosowana w diagnostyce biomedycznej w celu zwiększenia dokładności pomiaru przy użyciu komercyjnych czujników.  Czy pamiętasz swoje ostatnie badanie krwi lub moczu? Czy mierzony był tylko jeden parametr? Często mierzymy wiele parametrów, nie tylko cholesterol, ale HDL, LDL, trójglicerydy i często wiele innych. Bez żadnych zmian w pomiarze, a jedynie w procedurze kalibracji, takie testy mogłyby być znacznie dokładniejsze dzięki zastosowaniu metodologii opracowanej przez grupę dr Witkowskiej Nery. Badacze wskazują także na istotę niestandardowego podejścia do prowadzenia badań i zwracanie uwagi na proste rozwiązania przy opracowywaniu nowych systemów analitycznych. Tworzenie punktów diagnostycznych dostępnych dla każdego w dzisiejszych czasach wymaga uproszczenia stosowanych metod i przede wszystkim obniżenia kosztów pojedynczej analizy. To właśnie na tych czynnikach skupiają się autorzy tego badania.

Badania opublikowane w czasopiśmie Electrochimica Acta zostały dofinansowane w przez Narodowe Centrum Nauki Centrum Nauki w ramach grantu Sonata 2020/39/D/ST4/02256.

KONTAKT:
Prof. Emilia Witkowska Nery 
Institute of Physical Chemistry, Polish Academy of Sciences
Phone: +48 22 343 3306
e-mail: ewitkowskanery@ichf.edu.pl

ARTYKUŁ:
“Low-cost, syringe based ion-selective electrodes for the evaluation of potassium in food products and pharmaceuticals”
Elżbieta Jarosińska, Julia Wojnowska, Martyna Durka, Marta Podrażka ,
Emilia Witkowska Nery
Volume 508, 2024, 145209
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2024.145209