Энантиоселективные сенсоры

Москва
Лаборатория знаний
2023

ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНЫЕ
СЕНСОРЫ  

В. Н. Майстренко, Г. А. Евтюгин

Электронное издание

УДК 543
ББК 24.4
М14
Издание осуществлено при финансовой поддержке
Российского научного фонда по проекту № 21-13-00169

Р е ц е н з е н т ы:
доктор химических наук, профессор А. Н. Козицина;
кафедра аналитической химии
Санкт-Петербургского государственного университета

Майстренко В. Н.
М14
Энантиоселективные сенсоры / В. Н. Майстренко, Г. А. Евтюгин. — Электрон. изд. — М. : Лаборатория знаний, 2023. — 262 с. —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул.
экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-610-0
Изложены теоретические основы конструирования и функционирования
энантиоселективных химических и биологических сенсоров, приведены
примеры их практического применения. Рассмотрены возможности сенсоров в решении задач химии, биологии, медицины, фармацевтического
анализа. Большое внимание уделено новым направлениям в конструировании
и применении энантиоселективных сенсоров — использованию углеродных
и композитных материалов на основе фуллеренов, графена и нанотрубок,
наночастиц металлов, ионных жидкостей, биоматериалов, полимеров, самоорганизующихся и мультиэлектродных систем типа «электронный язык»,
детектированию оптически чистых соединений в биологических жидкостях
и лекарственных средствах.
Для научных работников и специалистов, работающих в области
аналитической и фармацевтической химии, биологии и медицины, а также
для преподавателей, студентов и аспирантов химических, биологических
и медицинских специальностей вузов.
УДК 543
ББК 24.4

Деривативное издание на основе печатного аналога: Энантиоселективные сенсоры / В. Н. Майстренко, Г. А. Евтюгин. — М. : Лаборатория знаний,
2023. — 259 с. : ил. — ISBN 978-5-93208-324-6.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель
вправе
требовать
от
нарушителя
возмещения
убытков
или
выплаты компенсации

ISBN 978-5-93208-610-0
© Лаборатория знаний, 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современная аналитическая химия характеризуется большим разнообразием задач и средств их достижения, охватывающих помимо 
традиционных направлений (экология, контроль качества лекарственных препаратов, продуктов питания и др.) также области, ассоциирующиеся с прогрессом в новых областях знания. Химические 
сенсоры предназначены для определения химических элементов и 
их соединений, надмолекулярных объектов средствами, обеспечивающими быстрое и своевременное получение аналитической информации с возможностью миниатюризации датчиков и автоматизацией
измерений. Многие химические сенсоры являются продолжением 
традиционных методов аналитической химии, изменились лишь 
форма и способы достижения указанных целей – автономность, экспрессность, совместимость с существующими системами анализа. 
Вместе с тем, создание и внедрение химических сенсоров требует 
решения множества специфических задач, связанных с обеспечением условий их функционирования и требованиями, предъявляемыми к аналитическим, метрологическим и операционным характеристикам сенсоров. Одной из таких задач является расширение
перечня химических компонентов (модификаторов) в сенсорах, 
обеспечивающих распознавание, разделение, концентрирование и 
определение аналитов. Химические сенсоры, основанные на достижениях физической, органической, координационной химии и материаловедения, как никакие другие средства аналитической химии 
чувствительны к их химической составляющей. При этом создание
химического сенсора, даже имеющего прототип в виде аналитического прибора – вольтамперографа или спектрофотометра, – требует 
тщательного исследования и оптимизации состава его поверхности, 
дизайна модификаторов и поиска оптимальных способов их включения в чувствительный слой.

Энантиомерный анализ – сравнительно новое направление в 

аналитической химии. Его целью является распознавание и определение оптических изомеров. Сложность задачи обусловлена близостью химических и физических свойств таких соединений, что 
предъявляет особые требования к селекторам – веществам, образующим с ними комплексы, отличающиеся по характеристикам связывания, достаточным для раздельного определения энантиомеров. 
Сложность задачи определяет особые форматы получаемой информации – это не только определение стереоизомеров в смеси, но и 

Предисловие

установление их природы в индивидуальных растворах, а иногда –
количественная характеристика взаимодействия селектор – стереоизомер. Подобные задачи имеют свою область применения, в основном связанную с фармацевтикой и медициной, где биологическая 
активность и фармакофорные свойства лекарственных соединений 
могут радикально различаться для отдельных стереоизомеров. Поскольку в настоящее время бóльшая часть новых лекарственных 
средств содержит оптически чистые действующие вещества, энантиоселективные сенсоры потенциально востребованы на всех стадиях производства, хранения и применения лекарственных препаратов, включая выявление примесей нежелательных стереоизомеров и 
совершенствование методов стереоселективного синтеза. Помимо 
этого, самостоятельное значение имеют характеристики хиральных 
селекторов, которые могут находить применение в мембранных технологиях очистки лекарственных соединений и для изготовления 
форм их доставки к биологическим мишеням.

Следует отметить, что создание энантиоселективных сенсоров 

не ограничивается только поиском хиральных селекторов и способов их включения в измерительное устройство. Применительно к 
энантиоселективному анализу повышенный интерес вызывают минимизация фоновых сигналов, особенно связанных с матричными 
эффектами проб, а также артефакты, возникающие вследствие взаимодействий селекторов и вспомогательных элементов с органическими растворителями, детергентами, фоновыми электролитами и 
др. Их учет и оценка влияния являются составной частью создания
работоспособного сенсора, должны обеспечивать его надежность 
(робастность) при анализе реальных проб. Высокая чувствительность аналитического сигнала к указанным источникам шумов связана как с незначительными (во многих случаях) эффектами стереоселективности отклика, так и с более сложными многоточечными 
взаимодействиями стереоизомеров с центрами связывания селектора, что отличает подобные устройства от более простых химических сенсоров. В исследованиях такого рода как неотъемлемой части создания энантиоселективных сенсоров есть свои закономерности и особенности, нуждающиеся в обобщениях и расшифровке, 
особенно для исследователей, начинающих свою деятельность в 
этой сложной, но перспективной области аналитической химии.

Авторы книги имеют большой опыт в создании химических 

сенсоров на основе модифицированных электродов, преимущественно с вольтамперометрической регистрацией отклика. Однако 
рассматриваемые в книге вопросы выходят за рамки электрохимии 
и охватывают также оптические и иные принципы регистрации сигнала. Издание закрывает существующие в отечественной литературы пробелы по обобщению способов конструирования и принципов функционирования энантиоселективных сенсоров, уделяет повышенное внимание вопросам их практического применения для 

Предисловие
5

решения конкретных задач распознавания и определения стереоизомеров, актуальных для медицины и фармацевтики. Представленный 
материал систематизирован по природе аналитического сигнала, 
подходам к выбору селекторов (включая биосенсоры для селективного определения стереоизомеров) и вспомогательных компонентов 
сенсоров. В книге приведены сведения об определении наиболее 
важных классов оптически чистых соединений – аминокислот, 
нейротрансмиттеров, лекарственных средств и добавок к пищевым 
продуктам. Изложение материала рассчитано на читателя, имеющего базовые знания в области аналитической химии, электрохимии 
и оптических методов анализа, поэтому в книге приводится информация о способах формирования и регистрации сигнала в химических сенсорах, их интерпретации. Библиография, приводимая в 
конце каждой главы, также отражает этот подход.

Издание предназначено для научных работников и специали
стов, работающих в области аналитической и фармацевтической химии, преподавателей, студентов, магистров и аспирантов химических, биологических и медицинских специальностей вузов. Хочется 
надеяться, что появление книги будет способствовать более широкому применению энантиоселективных сенсоров в аналитической 
практике.

Считаем своим приятным долгом выразить глубокую призна
тельность рецензентам – коллективу кафедры аналитической химии 
Санкт-Петербургского государственного университета и доктору 
химических наук А.Н. Козициной, чьи обстоятельные замечания и 
советы облегчили работу над рукописью и способствовали ее улучшению. Авторы благодарны сотрудникам кафедры аналитической 
химии Башкирского государственного университета Ю.А. Яркаевой, Л.Р. Загитовой и М.И. Назырову за помощь при подготовке рукописи к изданию.

В.Н. Майстренко, Г.А. Евтюгин

Введение

Хиральность – квинтэссенция жизни. Живое вещество, в отличие от 
неживого, обладает хиральной чистотой: белки состоят из левовращающих аминокислот, а ДНК и РНК построены на правовращающей рибозе – моносахариде из группы пентоз [1]. Именно поэтому 
человеческое тело имеет высокую хиральную селективность. Биомолекулы присутствуют в нем преимущественно в одной из оптически активных форм. Это в значительной степени объясняет понимание того, почему энантиомеры лекарственных средств, помещенные 
в хиральную среду, такую как живой организм, действуют как совершенно разные молекулы, проявляют различную фармакологическую активность, а также различные фармакокинетические и фармакодинамические эффекты [2]. В последнее время энантиочистые лекарственные препараты составляют большую часть из одобренных 
для терапии во всем мире, включая многие из самых востребованных. Их применение позволяет назначать более низкие дозы и, таким образом, повышать терапевтическую эффективность.

В результате достижений в области химической технологии, 

связанных с синтезом, разделением и анализом энантиомеров в 
соответствии с последними международными нормативными требованиями в области фармацевтики, количество хиральных лекарственных препаратов постоянно растет. Хиральный анализ постепенно становится органичной частью фармацевтического анализа, 
где энантиоселективные сенсоры играют важную роль из-за более 
простой конструкции, простоты изготовления, обслуживания и эксплуатации [3–10]. Энантиоселективность сенсоров может быть основана на различных принципах молекулярного распознавания аналитов с использованием хиральных интерфейсов. Это могут быть 
квазихиральные композиты из многостенных углеродных нанотрубок и графена (восстановленного оксида графена), хиральные ионные жидкости, ионофоры, ферментативные биосенсоры и иммуносенсоры, синтетические хиральные селекторы на основе комплексов 
включения, материалов с молекулярными отпечатками и др. Принципиальная схема энантиоселективного сенсорного устройства приведена на рис. 1.

Как правило, дискриминация между энантиомерами в таких 

датчиках
основана на различиях в константах устойчивости 

диастереомерных комплексов, образующихся на границе раздела 
чувствительный слой сенсора/раствор или газовая фаза. Основное 

Введение
7

отличие и в то же время самая большая проблема при хиральном 
зондировании по сравнению с хиральным разделением заключается 
в относительно низкой селективности измерений, поскольку в 
случае хирального зондирования происходит только один акт 
процесса разделения энантиомеров, который соответствует одной 
теоретической тарелке, в отличие от хроматографии. Тем не менее 
энантиоселективные сенсоры все чаще используются для обнаружения и распознавания энантиомеров в лекарственных средствах и пищевых продуктах, в том числе из-за возможности их массового производства для одноразового анализа, избегая перекрестного загрязнения образцов. Определение энантиомерных форм хиральных 
соединений может быть ценным показателем, обеспечивающим качество и безопасность пищевых продуктов [11]. В частности, ообнаружение в них D-аминокислот позволяет оценить бактериальное
загрязнение.

Рис. 1. Схема энантиоселективного датчика

Наряду с определением содержания активных компонентов и 

микропримесей (нормируемых и ненормируемых) в фармацевтических препаратах актуальной задачей является установление подлинности оригинальных лекарственных средств, выпускаемых различными производителями, а также их воспроизведенных копий –
дженериков. Сопоставление терапевтической эффективности оригинальных препаратов и дженериков в ряде случаев показало, что 
последние могут уступать оригиналу в терапевтической эффективности, причем для дженериков нередко наблюдаются побочные эффекты, отсутствующие при применении оригинальных препаратов. 
Указанные различия во многом обусловлены присутствием примесей, различным качественным и количественным составом вспомогательных веществ, входящих в состав лекарственных средств.

Введение

Другие аналитические методы, применяемые для решения та
ких задач, обычно предполагают разделение хиральных изомеров в 
ходе анализа. Прежде всего, это хиральная хроматография [11–16] и 
капиллярный электрофорез [17–19], основанные на использовании 
хиральных подвижных и неподвижных фаз, удерживающих один из 
энантиомеров более прочно, чем другой. Хиральная хроматография 
позволяет получить наиболее достоверную информацию о составе и 
оптической чистоте образца и поэтому является широко применяемым методом распознавания и определения энантиомеров. 
Наряду с этими методами в аналитической практике находят применение мембранное разделение, жидкостная экстракция, кристаллизация и др. Однако многие из указанных методов достаточно 
трудоемки, требуют продолжительного времени для выполнения 
анализа, дорогостоящих приборов и высокой квалификации персонала. Кроме того, хроматографические методы и капиллярный электрофорез не всегда подходят для дифференциации энантиомеров. 
В любом случае необходим адекватный выбор хирального селектора. Иначе процесс распознавания энантиомеров может привести к 
неопределенностям.

В качестве альтернативы использование хиральных сенсоров

позволяет надежно идентифицировать энантиомеры благодаря их 
прямому обнаружению в матрице без предварительного разделения. 
В последние два десятилетия предложено множество самых разных 
хиральных датчиков, опубликованы тысячи статей и обзоров по этой 
проблеме. Все большое значение при создании энантиоселективных 
сенсоров приобретают новые хиральные материалы [9, 10] и передовые методы регистрации аналитического сигнала (поверхностный 
плазмонный резонанс, гигантское комбинационное рассеяние 
света). С развитием подходов к хиральному зондированию исследован целый ряд материалов, таких как новые хиральные органические 
соединения, квантовые точки, полимеры и пористые металлы с 
молекулярными отпечатками, наночастицы и др. Многие из этих
материалов имеют уникальные свойства, которые позволяют использовать их в качестве хиральных селекторов.

Ключевым параметром при создании энантиоселективных

сенсоров является разработка соответствующих молекулярных 
архитектур, позволяющих создать сайты распознавания с различным сродством к энантиомерам [20–27]. Конструкция сенсоров для 
определения энантиомеров при низких пределах обнаружения в 
основном зависит от использования чувствительных элементов с 
высоким сродством к аналитам. Хиральные селекторы играют исключительно важную роль, поскольку именно они определяют энантиоселективность, которая влияет на аналитические характеристики
сенсоров. Развитие междисциплинарных технологий открыло новые 
возможности в разработке хиральных материалов, при взаимодей

Введение
9

ствии с которыми хироптическая  активность или редокс-потенциалы энантиомеров изменяются по-разному. Это позволило снизить 
стоимость сенсоров за счет замены в них биоматериалов на относительно недорогие и более удобные в эксплуатации хирально модифицированные селекторы и, следовательно, сделать энантиоселективные сенсоры вполне доступным инструментом для хирального 
анализа [6].

Следует заметить, что прогресс в области химической сен
сорики в последние годы во многом был тесно связан с развитием 
нанотехнологий, поэтому понимание фундаментальных концепций, 
обусловленных хиральной стереоспецифичностью наноматериалов, 
является исключительно важным при конструировании энантиоселективных сенсоров. Например, существование на наноуровне «изначально» хиральных металлических [28, 29] и полимерных [27, 30, 
31] поверхностей позволило разработать «умные» сенсоры, энантиоселективность которых можно регулировать в процессе измерений [32, 33]. Тем не менее, хотя хиральность многих соединений на 
молекулярном уровне хорошо изучена, исследования их наноразмерной хиральности довольно скудны. Между тем наноматериалы обладают удивительной упорядоченностью и ориентацией, 
имеют большую площадь поверхности, а также интересные электронные, фотонные, магнитные и каталитические свойства. Многие 
подходы к их получению и применению в энантиоселективных сенсорах разработаны, однако по-прежнему проблемой остается создание коммерчески доступных портативных датчиков для хирального 
зондирования со стабильным откликом. Можно ожидать, что интеграция наночастиц с хорошо изученными хиральными селекторами 
откроет новые возможности для создания энантиоселективных сенсоров.

Для конструирования энантиоселективных сенсоров большие 

перспективы имеют композитные материалы на основе углерода, такие как графен и углеродные нанотрубки, благодаря их превосходным электрохимическим характеристикам, хорошей электропроводности, большой удельной поверхности и биосовместимости [34–37]. 
Во многих литературных источниках сообщается о синтезе углеродсодержащих композитных материалов для хиральных селекторов. 
Основываясь на этой перспективе, в книге всесторонне рассмотрен 
прогресс в создании хиральных интерфейсов на основе углеродсодержащих материалов, а также обсуждаются дальнейшие пути их 
применения. Согласно имеющимся публикациям, многие хиральные 
селекторы, содержащие углеродные материалы, используются для 
разработки электрохимических хирально чувствительных интерфейсов, в том числе на основе аминокислот, белков, полисахаридов, 
полимеров, комплексов металлов, циклодекстринов, хиральных 
ионных жидкостей и др.

Литература

В заключение следует отметить, что исследования, основанные 

на применении новейших достижений химии, физики, биологии и 
материаловедения, привели к заметному прогрессу в создании 
новых энантиоселективных сенсоров [38]. И хотя успехи очевидны, 
достижения в этой области продолжают удивлять. Совершенствование сенсоров идет по пути получения тех характеристик измерений, которые свойственны современным методам аналитической 
химии. При этом ставятся те же задачи, что и при разработке 
методов определения традиционных аналитов, например, в сложных 
по составу матрицах. Имеются в виду надежность, простота, 
чувствительность и селективность определений. Не менее важными
являются использование малого объема проб, возможность скрининга, низкая стоимость анализа и др. Новые подходы к разработке
энантиоселективных сенсоров позволяют получить дополнительную информацию, которая ранее была недоступна. Чтобы достичь 
этого, сенсоры должны быть чувствительными преимущественно 
только к одному антиподу энантиомеров. Дальнейшие исследования 
необходимо сосредоточить на устранении имеющихся проблем. 
В этом плане большие перспективы имеют сенсоры на основе 
материалов с «изначальной» хиральностью, с выдающимися эксплуатационными и аналитическими характеристиками [22, 33, 39, 40].

Литература

1. Никитин М. Происхождение жизни. От туманности до клетки. М.:

ООО «Альпина нон-фикшн», 2016, 542 с.

2. Chiral drugs: chemistry and biological action / Eds. G.-Q. Lin, Q.-D. You, 

J.-F. Cheng. Hoboken, New Jersey: John Wiley, 2011, 456 p.

3. Будников Г.К., Евтюгин Г.А., Майстренко В.Н. Модифицированные 

электроды для вольтамперометрии в химии, биологии и медицине. М.: 
Бином. Лаборатория знаний, 2010, 416 c.

4. Manoli K., Magliulo M., Torsi L. Chiral sensor devices for differentiation 

of enantiomers // Differentiation of Enantiomers II / Ed. V. Schurig. BerlinHeidelberg: Springer Verlag, 2013, 133 p.

5. Evtugyn G. Biosensors: essentials. Berlin Heidelberg: Springer Verlag, 

2014, 265 p.

6. Zor E., Bingol H., Ersoz M. Chiral sensors. TrAC – Trend. Anal. Chem.,

2019, 121, 115662.

7. Li Z., Mo Z., Meng S., Gao H., Niu X., Guo R. The construction and appli
cation of chiral electrochemical sensors. Anal. Methods, 2016, 8, 8134.

8. Zhu G., Kingsford O.J., Yi Y., Wong K. Review-recent advances in electro
chemical chiral recognition. J. Electrochem. Soc., 2019, 166, H205.

9. Maistrenko V.N., Zilberg R.A. Enantioselective voltammetric sensors on 

the basis of chiral materials. J. Anal. Chem., 2020, 75, 1514.

10. Niu X., Yang X., Li H., Liu J., Liu Z., Wang K. Application of chiral mate
rials in electrochemical sensors. Microchim. Acta, 2020, 187, 676.