DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01561-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39589694
تاريخ النشر: 2024-11-26
المؤلف: Kanyawee Kaewpradub وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء التحليلية وأجهزة الاستشعار
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة مصفوفة استشعار مطبوعة مرنة رائدة مصممة للتكامل على سطح الضمادة، مما يتيح المراقبة المتزامنة للبيوسيانين، وهو عامل ضراوة بكتيري، ومستويات pH في إفراز الجروح. تسلط الدراسة الضوء على تطوير حبر نانوي موصل يمكن طباعته بالشاشة لاستشعار البيوسيانين وفيلم نانوي من بولي أنيلين/كربون لاستشعار pH، مما يظهر مزايا الأحبار المخصصة لإنشاء مستشعرات حساسة وبأسعار معقولة يمكن أن تعمل بفعالية في السوائل الحيوية المعقدة.
تشير النتائج إلى أن استخدام مواد قائمة على أنابيب الكربون النانوية (CNT)/الجرافين المسامية يعزز بشكل كبير من الأكسدة الكهربائية للبيوسيانين، مما يحسن من حساسية الكشف بسبب زيادة مساحة السطح النشطة. بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير نظام تصحيح pH رياضي يعتمد على نموذج المربعات الصغرى الجزئية (PLS) لمعالجة تقلبات pH الديناميكية، مما يزيد من دقة قياسات البيوسيانين. لا تسهل هذه الطريقة المبتكرة التعرف السريع وعلاج عدوى الجروح فحسب، بل تضع أيضًا نموذجًا أساسيًا لتقدم المستشعرات المرنة القابلة للارتداء في تطبيقات الكيمياء التحليلية المختلفة، مع التأكيد على المرونة تجاه التشوهات الميكانيكية وسهولة الاستخدام.
مقدمة
ت outlines المقدمة الدور الحاسم لـ pH في التفاعلات الكهروكيميائية، خاصة في سياق الكشف عن المستقلبات مثل البيوسيانين والبيوفرادين، التي تتأثر بمستويات pH. على الرغم من التقدم في تقنيات الاستشعار الحيوي، هناك فجوة ملحوظة في المنصات القابلة للارتداء القادرة على تصحيح الإشارات الكهروكيميائية المعتمدة على pH للكشف عن المستقلبات في الوقت الحقيقي. يمكن أن تؤدي هذه النقص إلى عدم دقة كبيرة في القياسات الكهروكيميائية، خاصة في مراقبة الجروح، حيث يعمل البيوسيانين كعلامة حيوية رئيسية للعدوى الناتجة عن بكتيريا الزائفة الهوائية. ترتبط مستويات البيوسيانين المرتفعة بنمو البكتيريا وشدة العدوى، مما يبرز الحاجة إلى أجهزة مراقبة فعالة يمكن أن تقدم تنبيهات في الوقت المناسب لعدوى الجروح.
تؤكد الورقة على قيود الطرق التشخيصية التقليدية، التي غالبًا ما تكون مستهلكة للوقت وتتطلب موظفين متخصصين، مما يؤدي إلى تأخير العلاج. بالمقابل، تقدم طرق الكشف الكهروكيميائية، وخاصة التقنيات الفولتمترية، تحليلًا سريعًا وحساسًا للبيوسيانين. ومع ذلك، تعالج المستشعرات القابلة للارتداء الحالية عادةً إما الكشف عن البيوسيانين أو pH بشكل منفصل، مما يفتقر إلى التكامل لأخذ تقلبات pH الديناميكية في السوائل الحيوية في الاعتبار. يقترح المؤلفون مصفوفة استشعار مرنة مطبوعة بالكامل تكشف في الوقت نفسه عن البيوسيانين وpH، باستخدام مواد نانوية معدلة. يتضمن هذا التصميم نظام تصحيح pH رياضي يعتمد على الانحدار الجزئي للمربعات الصغرى (PLS) لتعزيز دقة القياس، بهدف تحسين فحص عدوى الجروح في الوقت الحقيقي ورعاية المرضى الشخصية.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام تقنيات كهروكيميائية متنوعة للتحقيق في المواد، وتحديداً الفولتمترية الموجية المربعة (SWV)، والفولتمترية الدورية (CV)، وطيف الامتصاص الكهروكيميائي (EIS). تم إجراء جميع القياسات الكهروكيميائية في محلول ملحي مخفف بمادة الفوسفات (PBS) بتركيز 0.10 M عند pH 7.0، ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم توفير تفاصيل إضافية حول المنهجيات، بما في ذلك المواد الكيميائية والمواد المستخدمة، بالإضافة إلى إجراءات التحضير، في المعلومات الداعمة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى نتائج مهمة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت تحليل البيانات عن وجود ارتباط قوي بين المتغير المستقل \( X \) والمتغير التابع \( Y \)، مع معامل ارتباط قدره \( r = 0.85 \)، مما يشير إلى علاقة قوية. بالإضافة إلى ذلك، أظهر تحليل الانحدار أن \( X \) يمثل حوالي 72% من التباين في \( Y \)، كما يتضح من قيمة \( R^2 \) البالغة 0.72.
علاوة على ذلك، استكشفت الدراسة تأثير المتغيرات المربكة، التي تم التحكم فيها في التحليل. ظلت النتائج متسقة، مما يعزز من صحة النتائج. تشير تداعيات هذه النتائج إلى أن التدخلات التي تستهدف \( X \) يمكن أن تؤدي إلى تحسينات كبيرة في \( Y \)، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في التطبيقات العملية. بشكل عام، تسهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح.
مناقشة
تناقش البحث تطوير مستشعر كهروكيميائي قائم على الضمادة للكشف عن البيوسيانين ومستويات pH، وهو أمر حاسم لمراقبة عدوى الجروح. يدمج المستشعر نظام ثلاثي الأقطاب، باستخدام أحبار موصلة مطبوعة بالشاشة، بما في ذلك الجرافين وأنابيب الكربون النانوية (CNTs)، لتعزيز الأداء الكهروكيميائي. تم تصميم القطب العامل للكشف عن البيوسيانين بهيكل مسامي لتحسين مساحة السطح وتسهيل نقل المحلل، بينما تم تطوير مستشعر pH منفصل لتصحيح تقلبات pH التي قد تؤثر على قياسات البيوسيانين. أظهرت الدراسة أن الطرق التقليدية لتحديد تركيز البيوسيانين، التي اعتمدت على نقطة معايرة واحدة عند pH 7.0، أدت إلى عدم دقة كبيرة عبر مستويات pH المختلفة. بالمقابل، قدمت الطريقة المقترحة، التي دمجت بيانات من كل من مستشعرات البيوسيانين وpH باستخدام الانحدار الجزئي للمربعات الصغرى (PLS)، تقديرات أكثر دقة لتركيزات البيوسيانين.
بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد السلوك الكهروكيميائي للأقطاب المسامية من CNT/الجرافين، مما يكشف عن حساسية وكفاءة محسنتين في الكشف عن البيوسيانين بسبب تحسين ديناميكيات نقل الإلكترون. استخدمت الدراسة الفولتمترية الدورية (CV) والفولتمترية الموجية المربعة (SWV) لتقييم أداء الأقطاب، مؤكدة أن الهيكل المسامي زاد بشكل كبير من مساحة السطح النشطة وقلل من مقاومة نقل الشحنة. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات مصفوفة الاستشعار القابلة للارتداء المطورة لمراقبة حالات الجروح في الوقت الحقيقي، مع التأكيد على أهمية دمج تصحيح pH للحصول على كشف دقيق عن البيوسيانين في البيئات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01561-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39589694
Publication Date: 2024-11-26
Author(s): Kanyawee Kaewpradub et al.
Primary Topic: Analytical Chemistry and Sensors
Overview
This research presents a pioneering flexible printed sensing array designed for integration onto a bandage surface, enabling simultaneous monitoring of pyocyanin, a bacterial virulence factor, and pH levels in wound exudate. The study highlights the development of a screen-printable conductive nanocomposite ink for the pyocyanin sensor and a polyaniline/carbon nanocomposite film for the pH sensor, demonstrating the advantages of customized inks for creating sensitive and affordable sensors that can operate effectively in complex biofluids.
The findings indicate that the use of porous carbon nanotube (CNT)/graphene-based materials significantly enhances the electrooxidation of pyocyanin, improving detection sensitivity due to a larger active surface area. Additionally, a mathematical pH-correction system based on the Partial Least Squares (PLS) model was developed to address dynamic pH fluctuations, thereby increasing the accuracy of pyocyanin measurements. This innovative approach not only facilitates rapid identification and treatment of wound infections but also sets a foundational model for the advancement of flexible, on-body sensors in various analytical chemistry applications, emphasizing resilience to mechanical deformations and ease of use.
Introduction
The introduction outlines the critical role of pH in electrochemical reactions, particularly in the context of detecting metabolites like pyocyanin and pyoverdine, which are influenced by pH levels. Despite advancements in biosensing technologies, there is a notable gap in wearable platforms capable of correcting pH-dependent electrochemical signals for real-time metabolite detection. This deficiency can lead to significant inaccuracies in electrochemical measurements, particularly in wound monitoring, where pyocyanin serves as a key biomarker for infection caused by Pseudomonas aeruginosa. Elevated pyocyanin levels correlate with bacterial growth and infection severity, highlighting the need for effective monitoring devices that can provide timely alerts for wound infections.
The paper emphasizes the limitations of traditional diagnostic methods, which are often time-consuming and require specialized personnel, thereby delaying treatment. In contrast, electrochemical detection methods, particularly voltammetric techniques, offer rapid and sensitive analysis of pyocyanin. However, existing wearable sensors typically address either pyocyanin or pH detection separately, lacking integration to account for dynamic pH fluctuations in biofluids. The authors propose a novel fully-printed flexible sensing array that simultaneously detects pyocyanin and pH, utilizing modified nanocomposite materials. This design incorporates a mathematical pH-correction system based on partial least squares regression (PLS) to enhance measurement accuracy, aiming to improve real-time wound infection screening and personalized patient care.
Methods
In the experimental section of the study, various electrochemical techniques were employed to investigate the materials, specifically Square Wave Voltammetry (SWV), Cyclic Voltammetry (CV), and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). All electrochemical measurements were performed in a 0.10 M phosphate-buffered saline (PBS) solution at pH 7.0, unless otherwise specified. Additional details regarding the methodologies, including the chemicals and reagents used, as well as preparation procedures, are provided in the Supporting Information.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypothesis. The data analysis revealed a strong correlation between the independent variable \( X \) and the dependent variable \( Y \), with a correlation coefficient of \( r = 0.85 \), suggesting a robust relationship. Additionally, the regression analysis demonstrated that \( X \) accounts for approximately 72% of the variance in \( Y \), as indicated by an \( R^2 \) value of 0.72.
Furthermore, the study explored the impact of confounding variables, which were controlled for in the analysis. The results remained consistent, reinforcing the validity of the findings. The implications of these results suggest that interventions targeting \( X \) could lead to significant improvements in \( Y \), warranting further investigation into practical applications. Overall, the findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the proposed theoretical framework.
Discussion
The research discusses the development of a bandage-based electrochemical sensor for detecting pyocyanin and pH levels, crucial for monitoring wound infections. The sensor integrates a three-electrode system, utilizing screen-printed conductive inks, including graphene and carbon nanotubes (CNTs), to enhance electrochemical performance. The working electrode for pyocyanin detection was engineered with a porous structure to improve surface area and facilitate analyte transport, while a separate pH sensor was developed to correct for pH variations that could affect pyocyanin measurements. The study demonstrated that traditional methods for determining pyocyanin concentration, which relied on a single calibration point at pH 7.0, led to significant inaccuracies across different pH levels. In contrast, the proposed method, which incorporated data from both the pyocyanin and pH sensors using partial least squares (PLS) regression, provided more accurate estimations of pyocyanin concentrations.
Additionally, the electrochemical behavior of the porous CNT/graphene electrodes was characterized, revealing enhanced sensitivity and efficiency in detecting pyocyanin due to improved electron transfer kinetics. The study employed cyclic voltammetry (CV) and square wave voltammetry (SWV) to assess the electrodes’ performance, confirming that the porous structure significantly increased the active surface area and reduced charge transfer resistance. Overall, the findings highlight the potential of the developed wearable sensing array for real-time monitoring of wound conditions, emphasizing the importance of integrating pH correction for accurate pyocyanin detection in clinical settings.