Czym jest fotoelektrochemia?

Najprościej mówiąc, fotoelektrochemia jest to dziedzina chemii, w której zachodzą wzajemne przemiany energii świetlnej w elektryczną i odwrotnie. Ostatnio, poza ogniwami PEC (z ang. photoelectrochemical) stosowanymi do produkcji energii elektrycznej w sposób alternatywny, układy te można także stosować w innych dziedzinach nauki, jak np. medycynie, farmacji, biologii czy ochronie środowiska. Wszystko odbywa się dzięki wykorzystaniu światła do wzbudzenia reakcji elektrochemicznych zachodzących pod wpływem prądu. Jest to więc metoda, która umożliwia innowacyjne podejście do wykrywania np. chorób nowotworowych, a także wielu innych schorzeń i biomolekuł w sposób nieinwazyjny.

Bioczujniki fotoelektrochemiczne

Fotoelektrochemiczne biosensory to urządzenia analityczne, które mają zdolność wykrywania określonych związków chemicznych czy pierwiastków śladowych np. w lekach, ściekach, żywności. Bioczujniki PEC wzbudzają ogromne zainteresowanie ze względu na ich zdolność do wykrywania biomolekuł poprzez fotoprąd generowany w wyniku utleniania biomolekuł. Zwykle wymagają one stabilnego źródła światła do wzbudzenia sygnału elektrycznego (stąd przedrostek foto-) oraz urządzenia do przetwarzania danych sygnału. Ostatnio jednak coraz częściej można spotkać się z badaniami nad opracowaniem nowych, przenośnych fotoczujników, które nie wymagają zaawansowanego sprzętu, ponadto zastosowanie tego typu biourządzeń otwiera nowe możliwości w zakresie wczesnej diagnostyki chorób, monitorowania środowiska oraz badania bezpieczeństwa żywności, a nowo opracowywane materiały fotokatywne mogą znacznie przyspieszyć rozwój tej technologii. Może w tym pomóc np. nanotechnologia, która ostatnimi czasy przechodzi rozkwit w wielu dziedzinach nauki, w tym medycynie i farmacji.

Biosensory są typowymi urządzeniami elektrochemicznymi, których przewaga nad czujnikami elektrycznymi opiera się o ich wysoką selektywność. Przykładowo, w odróżnieniu od tradycyjnych testów DNA, takich jak elektroforeza żelowa (która również jest metodą elektrochemiczną), biosensory DNA stanowią szybszą, prostszą i tańszą alternatywę, która może pomóc w wykryciu wielu chorób organizmu. Istnieje kilka kierunków badań nad biosensorami PEC, które wskazują potencjalne ścieżki rozwoju tych urządzeń. Jednym z nich jest wykorzystanie nowych materiałów fotoaktywnych stosowanych np. jako wskaźniki, gdyż wydajność biosensorów wiąże się bezpośrednio z właściwościami wykorzystywanych materiałów. Ponadto przy pomocy nanotechnologii możliwe będzie opracowanie nowych biosensorów o bardziej selektywnym działaniu. Wraz z rozwojem technologii PEC stanie się ona również narzędziem umożliwiającym szybkie, czułe i specyficzne wykrywanie chorób, usprawni badania genetyczne, a także poprawi monitorowanie środowiska, ocenę bezpieczeństwa żywności oraz badania w zakresie farmacji i medycyny. 

Wczesna diagnostyka nowotworów opiera się na wykrywaniu specyficznych biomarkerów, jednak większość obecnych metod testowania jest niedostępna dla domowej opieki zdrowotnej ze względu na uciążliwe etapy, wydłużony czas badania oraz wykorzystanie toksycznych i niebezpiecznych substancji. W tym celu naukowcy podejmują próby opracowania przenośnych urządzeń, takich jak właśnie biosensory PEC, które charakteryzowałyby się szybkim wykrywaniem poszczególnych antygenów. W jednym z badań próbowano wykryć antygen specyficzny dla chorób prostaty poprzez integrację sygnału fotoelektrycznego katalizowanego nanocząstkami złota AuNP z kwasem fosfomolibdenowym (PMA). Jest to kluczowa technologia, która niesie za sobą ogromne nadzieje dla przyszłych testów klinicznych w obszarach o niskim stopniu rozwoju, dzięki opracowywaniu biosensorów PEC, które są tanią, prostą w obsłudze metodą, odznaczającą się wysoką czułością i selektywnością. Należy jednak brać pod uwagę, że wszystko zależy od doboru materiałów służących jako wskaźniki. Obecnie nanocząstki są poddawane licznym badaniom w kierunku bezpieczeństwa ich stosowania, gdyż ze względu na swój nanometryczny rozmiar bardzo łatwo wnikają do organizmu. W innym badaniu zaproponowano z kolei przenośny biosensor, którego zadaniem było wykrycie jednego z rodzajów aflatoksyny, czyli trującego związku chemicznego produkowanego przez grzyby. Ze względu na zakłócenia spowodowane niestabilnym światłem (gdyż te urządzenia są właśnie „wzbudzane” światłem) w tym przypadku postanowiono zastosować także inną metodę elektrochemiczną na zasadzie potencjometrycznej rozdzielczości, co eliminowało zmiany w natężeniu światła. Tak opracowany bioczujnik ma ogromny potencjał w monitorowaniu bezpieczeństwa żywności, a także środowiska – można go np. zastosować do monitorowania leków w wodzie/ściekach.

Popularnością cieszą się także aptamery, czyli syntetyczne cząsteczki kwasu nukleinowego, a dzięki ich połączeniu z bioanalizą PEC w ostatnich latach nastąpił ogromny postęp. Wysoka czułość i specyficzność sprawiają, że jest to wszechstronna platforma do wykrywania małych jonów i substancji chemicznych, peptydów, białek i dużych komórek. Wykorzystanie aptasensingu PEC do wykrywania wielu ważnych biomolekuł ma znaczenie zarówno w badaniach podstawowych, jak i zastosowaniach biomedycznych. Wyróżnić także można kilka kierunków badań w zakresie aptasensingu PEC na najbliższe lata, co pozwoli na szersze ich wykorzystanie. Do kilku z nich można zaliczyć: konstrukcję nowych interfejsów czujnikowych w oparciu o zastosowania nowatorskich materiałów fotoaktywnych, opracowanie nowych technik modyfikacji, dzięki którym aptamery łatwiej przyłączają się do różnych materiałów fotoaktywnych, modyfikację aptamerów różnymi enzymami, m.in. polimerazy, ligazy, egzonukleazy i endonukleazy, umożliwiając tym samym amplifikację wspomaganą enzymami.

Dzięki rozwojowi zarówno metod fotoelektrochemicznych, jak i innych elektrochemicznych i nie tylko, wiele dziedzin nauki może ewoluować w kierunku identyfikacji kluczowych związków chemicznych czy biomolekuł. Może pomóc to w szybszej diagnostyce poważnych chorób, ale także wykryciu substancji niebezpiecznych, toksycznych i mutagennych w żywności oraz wodzie. Obecnie nie ma jednak jeszcze zbyt dużo informacji o powszechnym wykorzystaniu tego typu czujników, np. w diagnostyce, ale na pewno wraz z rozwojem technologii i bardziej szczegółowymi badaniami to podejście się zmieni.