Одновременное электрохимическое обнаружение имипенема и меропенема с использованием стеклоуглеродного электрода, модифицированного 3D оксидом графена, украшенного биметаллическими наночастицами Pt–Au

Почему важно отслеживать мощные антибиотики

Некоторые из важнейших госпитальных антибиотиков, такие как имипенем и меропенем, — это лекарства, спасающие жизни при стойких инфекциях. Однако они имеют двойственный характер: слишком низкая концентрация в крови пациента может позволить микробам выжить, тогда как избыточная — повредить мозг, печень и почки или попасть в окружающую среду. В этом исследовании описан недорогой сенсор, который быстро и очень чувствительно измеряет оба препарата одновременно в реальных образцах, таких как кровь, моча и лекарственные формы, что потенциально помогает врачам точнее подбирать терапию и регуляторам отслеживать загрязнение.

Новый способ считывания крошечных химических сигналов

Исследователи поставили цель создать электрохимический сенсор — устройство, переводящее химическую информацию в электрический сигнал. Вместо опоры на крупные дорогостоящие приборы с громоздкой подготовкой проб они стремились к небольшому электроду, который можно погрузить прямо в раствор, содержащий имипенем и меропенем. Когда молекулы препаратов контактируют с электродом и подвергаются окислению — фактически теряют электроны — образующийся ток можно измерить. Задача заключалась в создании поверхности электрода, которая сделает эту реакцию эффективной и чётко разделит сигналы двух препаратов, даже при экстремально низких концентрациях.

Создание крошечной пористой вспомогательной поверхности

Чтобы повысить характеристики электрода, команда разработала слоистый наноматериал. Они начали с оксида графена, формы углерода, организованного в листы толщиной в атом. Превратив его в трёхмерную губчатую сеть, они получили большую пористую поверхность, где может происходить множество реакций одновременно. На этот каркас они закрепили очень мелкие частицы, состоящие из сплава платины и золота. Эти биметаллические наночастицы действуют как крошечные катализаторы, ускоряя перенос электронов между препаратами и электродом. Микроскопия и рентгеноструктурные исследования подтвердили, что металлические частицы равномерно распределены по графеновой структуре, образуя стабильное и высокопроводящее покрытие при нанесении на стеклоуглеродную подложку.

Преобразование контакта с препаратом в чёткие электрические пики

После подготовки этого покрытого электрода авторы протестировали его отклик на имипенем и меропенем. С помощью вольтамперометрии — изменения напряжения при регистрации тока — они показали, что каждый препарат даёт отличительный пик окисления при разном потенциале, с ясным разделением между ними. Это разделение позволяет сенсору различать два препарата даже при их совместном присутствии. Пористая поверхность с нанесёнными металлами также снизила сопротивление потоку электронов и значительно увеличила активную площадь по сравнению с немодифицированным электродом. В результате электрические сигналы стали сильнее и более отчётливыми, что позволило регистрировать концентрации препаратов до наномолярного уровня в исключительно широком диапазоне. Эксперименты с изменением кислотности раствора, загрузки материала и скорости сканирования помогли выявить условия, обеспечивающие наиболее надёжный и сильный отклик.

Работа в реальных условиях, а не только в лаборатории

Помимо контролируемых тестовых растворов сенсор испытали на реальных образцах: человеческой сыворотке и моче, а также на коммерческих таблетках имипенема и инъекциях меропенема. Путём добавления известных количеств препаратов в эти сложные смеси и измерения прироста сигнала команда показала, что восстановление составляло примерно 100 процентов с незначительными вариациями. Устройство также сохраняло стабильность в течение недель хранения, давало почти одинаковые результаты при изготовлении нескольких экземпляров и не было легко введено в заблуждение другими распространёнными препаратами или растворёнными солями. Эти свойства свидетельствуют о том, что сенсор может использоваться для контроля качества лекарств и мониторинга распределения препаратов в организме.

Что это значит для пациентов и окружающей среды

Практически исследование представляет компактный и недорогой электрод, способный одновременно обнаруживать два ключевых антибиотика последней линии на чрезвычайно низких уровнях. Для здравоохранения такой сенсор мог бы поддерживать терапевтический мониторинг лекарств, помогая клиницистам корректировать дозы так, чтобы концентрации были достаточными для уничтожения бактерий, но не причиняли вреда. Для охраны окружающей среды и безопасности пищевых продуктов та же платформа может помочь отслеживать остатки антибиотиков в воде, сельскохозяйственной продукции или отходах больниц. Хотя для применения у постели пациента или в полевых условиях потребуется дальнейшая доработка, работа демонстрирует, как продуманно спроектированные наноматериалы могут превращать тонкие химические следы в ясные электрические показания, которые легко измерять.

Цитирование: Paghaleh, H.J., Jahani, S., Moradalizadeh, M. et al. Simultaneous electrochemical detection of imipenem and meropenem using a Pt–Au bimetallic nanoparticle–decorated 3D graphene oxide modified glassy carbon electrode. Sci Rep 16, 9876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36658-0

Ключевые слова: электрохимический сенсор, имипенем, меропенем, наноматериалы на основе графена, мониторинг антибиотиков