Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Бакал В. А., Гуслякова О. И., Прихожденко Е. С. Детектирование глюкозы с помощью ГКР-подложек и машинного обучения // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025. Т. 25, вып. 2. С. 189-200. DOI: 10.18500/1817-3020-2025-25-2-189-200, EDN: LPRHUT

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.06.2025
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 23)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Биофизика и медицинская физика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
535.243.1:004.89
DOI: 
10.18500/1817-3020-2025-25-2-189-200
EDN: 
LPRHUT

Детектирование глюкозы с помощью ГКР-подложек и машинного обучения

Авторы: 
Бакал Виктория Александровна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Гуслякова Ольга Игоревна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Прихожденко Екатерина Сергеевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Оптические методы определения концентрации глюкозы в растворах являются предметом повышенного интереса благодаря их потенциальной экономичности, портативности и низкой инвазивности. Непосредственное обнаружение глюкозы с использованием гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) осложнено слабой адсорбцией глюкозы на металлических поверхностях и малым сечением её рассеяния. В настоящей работе реализована стратегия ферментативного определения концентрации глюкозы с помощью ГКР-подложек и машинного обучения, способная обеспечить высокую чувствительность. Были разработаны сенсоры на основе нетканого материала из поликапролактона и фильтровальной бумаги с восстановленными агрегатами серебряных наночастиц на поверхности. Для нетканого материала поликапролактона дополнительно проводилась процедура минерализации. Было определено оптимальное количество циклов (три) выращивания микрочастиц ватерита на поверхности. Увеличение количества циклов последовательной модификации поверхности поликапролактона микрочастицами ватерита позволяет получить более однородное заращивание, что наблюдалось на изображениях, даваемого сканирующим электронным микроскопом. Был произведен подбор оптимальных концентраций нитрaта серебра и гидрата аммиака, используемых для модификации поверхности подложек серебряными наночастицами: 5 моль/л для поликапролактона, 2 моль/л для фильтровальной бумаги. Для всех типов сенсоров обучались модели классификации на основе случайного леса. Наиболее точной моделью при определении глюкозы в концентрации 1 ммоль/л оказался образец поликапролактона с тремя последовательными модификациями ватеритом и с серебряными наночастицами, восстановленными из растворов нитрaта серебра и гидрата аммиака в концентрации 5 моль/л.

Ключевые слова: 
Сенсор глюкозы
ГКР-спектроскопия
серебряное покрытие
машинное обучение
«случайный лес»
Благодарности: 
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10270 «Носимые сенсорные устройства на основе гибких подложек для детекции метаболитов и маркеров социально значимых заболеваний в биологических жидкостях», https://rscf.ru/project/22-79-10270/).
Список источников: 
  1. Shafer-Peltier K. E., Haynes C. L., Glucksberg M. R., Van Duyne R. P. Toward a glucose biosensor based on surface-enhanced Raman scattering. J. Am. Chem. Soc., 2003, vol. 125, iss. 2, pp. 588–593. https://doi.org/10.1021/ja028255v
  2. Sun X. Glucose detection through surface-enhanced Raman spectroscopy: A review. Anal. Chim. Acta, 2022, vol. 1206, art. 339226. https://doi.org/10.1016/j.aca.2021.339226
  3. Yang D., Afroosheh S., Lee J. O., Cho H., Kumar S., Siddique R. H., Narasimhan V., Yoon Y. Z., Zayak A. T., Choo H. Glucose sensing using surface-enhanced Raman-mode constraining. Anal. Chem., 2018, vol. 90, iss. 24, pp. 14269–14278. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.8b03420
  4. Quyen T. T. B., Su W. N., Chen K. J., Pan C. J., Rick J., Chang C. C., Hwang B. J. Au@SiO2 core/shell nanoparticle assemblage used for highly sensitive SERS-based determination of glucose and uric acid. J. Raman Spectrosc., 2013, vol. 44, iss. 12, pp. 1671–1677. https://doi.org/10.1002/jrs.4400
  5. Sun X., Stagon S., Huang H., Chen J., Lei Y. Functionalized aligned silver nanorod arrays for glucose sensing through surface enhanced Raman. RSC Adv., 2014, vol. 4, iss. 45, pp. 23382–23388. https://doi.org/10.1039/C4RA02423K
  6. Pham X., Shim S., Kim T., Hahm E., Kim H., Rho W., Jeong D., Lee Y., Jun B. Glucose detection using 4-mercaptophenyl boronic acid-incorporated silver nanoparticles-embedded silica-coated graphene oxide as a SERS substrate. BioChip J., 2017, vol. 11, pp. 46–56. https://doi.org/10.1007/s13206-016-1107-6
  7. Wallace G. Q., Tabatabaei M., Zuin M. S., Workentin M. S., Lagugné-Labarthet F. A nanoaggregate-on-mirror platform for molecular and biomolecular detection by surface-enhanced Raman spectroscopy. Anal. Bioanal. Chem., 2016, vol. 408, pp. 609–618. https://doi.org/10.1007/s00216-015-9142-z
  8. Guo W., Hu Y., Wei H. Enzymatically activated reduction-caged SERS reporters for versatile bioassays. Analyst, 2017, vol. 142, iss. 13, pp. 2322–2326. https://doi.org/10.1039/C7AN00552K
  9. Fu C., Jin S., Oh J., Xu S., Jung Y. M. Facile detection of glucose in human serum employing silver-ion-guided surface-enhanced Raman spectroscopy signal amplification. Analyst, 2017, vol. 142, iss. 16, pp. 2887–2891. https://doi.org/10.1039/C7AN00604G
  10. Ju J., Liu W., Perlaki C. M., Chen K., Feng C., Liu Q. Sustained and cost effective silver substrate for surface enhanced Raman Spectroscopy based biosensing. Sci. Rep., 2017, vol. 7, iss. 1, art. 6917. https://doi.org/10.1038/s41598-017-07186-9
  11. Kwon J. A., Jin C. M., Shin Y., Kim H. Y., Kim Y., Kang T., Choi I. Tunable plasmonic cavity for label-free detection of small molecules. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, vol. 10, iss. 15, pp. 13226–13235. https://doi.org/10.1021/acsami.8b01550
  12. Yonzon C. R., Haynes C. L., Zhang X., Walsh J. T., Van Duyne R. P. A glucose biosensor based on surface-enhanced Raman scattering: Improved partition layer, temporal stability, reversibility, and resistance to serum protein interference. Anal. Chem., 2004, vol. 76, iss. 1, pp. 78–85. https://doi.org/10.1021/ac035134k
  13. Chen Q., Fu Y, Zhang W, Ye S, Zhang H, Xie F, Gong L, Wei Z, Jin H., Chen J. Highly sensitive detection of glucose: A quantitative approach employing nanorods assembled plasmonic substrate. Talanta, 2017, vol. 165, pp. 516–521. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2016.12.076
  14. Hu S., Jiang Y., Wu Y., Guo X., Ying Y., Wen Y., Yang H. Enzyme-free tandem reaction strategy for surface-enhanced Raman scattering detection of glucose by using the composite of Au nanoparticles and Porphyrin-based metal – organic framework. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, vol. 12, iss. 49, pp. 55324–55330. https://doi.org/10.1021/acsami.0c12988
  15. Heang S., Park I. K., Kim J. M., Lee J. H. In vitro and in vivo characteristics of PCL scaffolds with pore size gradient fabricated by a centrifugation method. Biomaterials, 2007, vol. 28, iss. 9, pp. 1664–1671. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2006.11.024
  16. Abedalwafa M., Wang F., Wang L., Li C. Biodegradable poly-epsilon-caprolactone (PCL) for tissue engineering applications: A review. Rev. Adv. Mater. Sci., 2013, vol. 34, iss. 2, pp. 123–140.
  17. Mayorova O. A., Saveleva M. S., Bratashov D. N., Prikhozhdenko E. S. Combination of machine learning and Raman spectroscopy for determination of the complex of whey protein isolate with hyaluronic acid. Polymers, 2024, vol. 16, iss. 5, art. 666. https://doi.org/10.3390/polym16050666
  18. Lussier F., Thibault V., Charron B.,Wallace G. Q., Masson J. F. Deep learning and artificial intelligence methods for Raman and surface-enhanced Raman scattering. TrAC, 2020, vol. 124, art. 115796. https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.115796
  19. Ralbovsky N. M., Lednev I. K. Towards development of a novel universal medical diagnostic method: Raman spectroscopy and machine learning. Chem. Soc. Rev., 2020, vol. 49, iss. 20, pp. 7428–7453. https://doi.org/10.1039/D0CS01019G
  20. Saveleva M. S., Ivanov A. N Chibrikova J. A., Abalymov A. A., Surmeneva M. A., Surmenev R. A., Parakhonskiy B. P., Lomova M. V., Skirtach A. G., Norkin I. A. Osteogenic capability of vaterite-coated nonwoven polycaprolactone scaffolds for in vivo bone tissue regeneration. Macromol. Biosci., 2021, vol. 21, iss. 12, art. 2100266. https://doi.org/10.1002/mabi.202100266
  21. Prikhozhdenko E. S., Atkin V. S., Parakhonskiy B. V., Rybkin I. A., Lapanje A., Sukhorukov G. B., Gorin D. A., Yashchenok A. M. New post-processing method of preparing nanofibrous SERS substrates with a high density of silver nanoparticles. RSC Adv., 2016, vol. 6, iss. 87, pp. 84505–84511. https://doi.org/10.1039/C6RA18636J
  22. Baker L. B., Wolfe A. S. Physiological mechanisms determining eccrine sweat composition. Eur. J. Appl. Physiol., 2020, vol. 120, iss. 4, pp. 719–752. https://doi.org/10.1007/s00421-020-04323-7
Поступила в редакцию: 
10.05.2024
Принята к публикации: 
17.02.2025
Опубликована: 
30.06.2025
  • 127 просмотров