Nowoczesne metody wykrywania trucizn – elektrody diamentowe domieszkowane borem
Alkaloidy to z jednej strony cenne leki, z drugiej – niebezpieczne narkotyki i silne trucizny. Stanowią istotne wyzwanie analityczne. Np. atropina to klasyczny alkaloid tropanowy. Granica między jej działaniem terapeutycznym a toksycznym jest bardzo wąska. Gdy w medycynie ratunkowej służy jako antidotum, jej niekontrolowana obecność w żywności stanowi realne zagrożenie. Szacunkowa dawka śmiertelna dla osoby dorosłej to ok. 100 mg, a dla dziecka ok. 10 mg – tyle, ile waży średniej wielkości biedronka.
By ochronić konsumentów UE wprowadziła restrykcyjne normy. W żywności dla niemowląt i małych dzieci limit zawartości atropiny w jednym kilogramie substancji to jedna milionowa część grama. Egzekwowanie tych norm prawnych wymagało opracowania metody zdolnej do wykrycia nawet śladowych ilości trucizny w złożonych substancjach. Tego zadania podjęli się naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, m.in. dr Olha Dushna, we współpracy z badaczami ze Słowacji i Ukrainy.
Pod napięciem
Aby przenieść wielkie laboratorium do małego czujnika badacze wykorzystują metodę zwaną woltamperometrią: gdy nałoży się odpowiednie napięcie elektryczne na zanurzoną w roztworze elektrodę, znajdująca się w nim substancja (np. trucizna) reaguje, ulegając utlenieniu lub redukcji. W wyniku tej reakcji przez układ płynie prąd. Jego siła jest wprost proporcjonalna do stężenia substancji, co pozwala precyzyjnie wyliczyć jej ilość w badanej próbce.
Przełomem okazuje się sam materiał użyty do budowy czujnika. Naukowcy wykorzystali elektrody diamentowe domieszkowane borem (BDDE), które z powodzeniem zastępują toksyczne elektrody rtęciowe. BDDE posiadają sieć krystaliczną diamentu, co nadaje im unikalną obojętność chemiczną i brak grup tlenowych na powierzchni.
Układ pomiarowy stanowi miniaturowy, drukowany system elektrochemiczny zawierający trzy elektrody, w tym elektrodę roboczą BDDE. Cała platforma ma wielkość około 4 cm i jest wytwarzana metodą mikrodrukowania (screen-printing), co umożliwia jej masową produkcję oraz łatwą integrację z przenośną aparaturą pomiarową. Dzięki niewielkim rozmiarom i mobilności system może być wykorzystywany poza laboratorium. Otwiera to szerokie możliwości zastosowań, m.in. w analizie środowiskowej, badaniach klinicznych oraz kryminalistyce, gdzie istotna jest szybka identyfikacja substancji bez konieczności transportu próbki do laboratorium. – mówi dr Olha Dushna.
Konstrukcja ułatwia podpięcie do małych urządzeń przesyłających wyniki pomiaru na ekran smartfona, umożliwiając błyskawiczną analizę w dowolnym miejscu. Co istotne – opisywane rozwiązanie nie jest obciążające dla środowiska.
Elektrody diamentowe domieszkowane borem charakteryzuje szerokie „okno potencjałów”. W przeciwieństwie do tradycyjnych elektrod z węgla szklistego (GCE), pozwalają na badanie substancji, które do reakcji utleniania lub redukcji wymagają przyłożenia bardzo wysokiego napięcia. Ponadto są nader czułe. Niższy prąd tła niż w starszej generacji elektrod węglowych umożliwia wykrywanie poszukiwanych substancji, np. leków czy trucizn, przy zachowaniu bardzo wyraźnego sygnału, nawet jeśli występują one w śladowych stężeniach. Ponadto powierzchnia elektrody diamentowej jest chemicznie obojętna i ma bardzo niską skłonność do adsorbowania (przyklejania) cząsteczek organicznych, więc produkty powstające podczas reakcji nie blokują czujnika, a elektroda nie wymaga uciążliwej aktywacji czy regeneracji po każdym wykonanym pomiarze.
Wystarczy kropla
Badania wykorzystywane są w kryminalistyce, ewoluując też w stronę gadżetów użytkowych.
– Tego typu miniaturowe układy elektrochemiczne znajdują już zastosowanie w nowoczesnych, przenośnych rozwiązaniach, takich jak rękawice analityczne wyposażone w zintegrowane sensory. Dotykamy opuszkiem palca np. do jabłka lub jakiegoś proszku i możemy wykryć, jakie związki chemiczne zostały użyte. Podobna zasada działania wykorzystywana jest również w sensorach stosowanych do oznaczania glukozy. Rozwiązania tego typu znajdują praktyczne zastosowanie m.in. w działaniach służb celnych, gdzie służą do szybkiego wykrywania substancji niebezpiecznych lub nielegalnych bezpośrednio w terenie. – opowiada dr Dushna.
Rozszerzona wersja tekstu już niebawem na Serwis Naukowy UW: https://serwisnaukowy.uw.edu.pl/
dr Olha Dushna
chemiczka, asystentka na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, związana z Pracownią Teoretycznych Podstaw Chemii Analitycznej. Stopień doktora nauk chemicznych uzyskała w 2025 roku. Jej badania koncentrują się na rozwoju nowoczesnych metod analitycznych, opartych na technikach elektrochemicznych i spektrometrii mas, stosowanych w analizach medycznych i środowiskowych. Obejmują one m.in. badania związków biologicznie aktywnych oraz analizę biomarkerów w materiałach biologicznych i klinicznych.
Artykuł jest częścią cyklu poświęconego badaniom realizowanym na Uniwersytecie Warszawskim.