RU2327140C2 - Device and method for qualitative and quantative analysis of chemical compositions and biological bodies - Google Patents
Device and method for qualitative and quantative analysis of chemical compositions and biological bodies Download PDFInfo
- Publication number
- RU2327140C2 RU2327140C2 RU2006103665/28A RU2006103665A RU2327140C2 RU 2327140 C2 RU2327140 C2 RU 2327140C2 RU 2006103665/28 A RU2006103665/28 A RU 2006103665/28A RU 2006103665 A RU2006103665 A RU 2006103665A RU 2327140 C2 RU2327140 C2 RU 2327140C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- console
- biological object
- compound
- biological
- qualitative
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
Abstract
Description
Заявленные устройство и способ для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов относятся к области сенсорных устройств, предназначенных для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов, способных специфически связываться друг с другом с образованием устойчивого комплекса, в том числе биологических материалов: комплементарных молекул нуклеиновых кислот, клеток и клеточных рецепторов, компонентов комплекса антиген-антитело и других белковых и небелковых комплексов, а также способов качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов. Определение концентрации биологически активных веществ широко применяется в медицине для клинической диагностики, в фармацевтической и пищевой промышленности для контроля технологических процессов, анализа сырья и готовой продукции.The claimed device and method for the qualitative and quantitative determination of chemical compounds and biological objects belong to the field of sensor devices designed for the qualitative and quantitative determination of chemical compounds and biological objects that can specifically bind to each other with the formation of a stable complex, including biological materials: complementary nucleic acid molecules, cells and cellular receptors, components of the antigen-antibody complex and other protein 's and non-protein complexes, and methods of qualitative and quantitative determination of chemical compounds and biological objects. Determination of the concentration of biologically active substances is widely used in medicine for clinical diagnostics, in the pharmaceutical and food industries for the control of technological processes, analysis of raw materials and finished products.
Известен способ определения концентрации биотина, основанный на иммобилизации конъюгата бычьего сывороточного альбумина с дестиобиотином на поверхности пьезокварцевого кристалла [1]. При инкубации модифицированного кристалла в растворе авидина образуется метастабильный комплекс, который при введении анализируемого образца, содержащего биотин, диссоциирует. Молекулы авидина десорбируются с поверхности и в растворе связываются в комплекс с биотином. Процесс десорбции авидина сопровождается увеличением резонансной частоты пьезокварцевого кристалла, которое детектируется измерительной системой и служит аналитическим сигналом. Недостатки данного способа заключаются в неприменимости способа для определения концентрации других биологически активных соединений и сравнительно большом объеме анализируемого раствора. Сходство данного способа с заявляемым состоит в том, что для определения концентрации биологически активного соединения регистрируется аналитический сигнал, сопровождающий диссоциацию специфического комплекса, образованного определяемым веществом.A known method for determining the concentration of biotin, based on the immobilization of a conjugate of bovine serum albumin with destiobiotin on the surface of a piezoelectric crystal [1]. Upon incubation of the modified crystal in a solution of avidin, a metastable complex forms, which dissociates upon administration of the analyzed sample containing biotin. Avidin molecules are desorbed from the surface and in solution bind to a complex with biotin. The process of desorption of avidin is accompanied by an increase in the resonant frequency of the piezoelectric crystal, which is detected by the measuring system and serves as an analytical signal. The disadvantages of this method are the inapplicability of the method for determining the concentration of other biologically active compounds and the relatively large volume of the analyzed solution. The similarity of this method with the claimed one lies in the fact that to determine the concentration of a biologically active compound, an analytical signal is recorded that accompanies the dissociation of a specific complex formed by the analyte.
Известно устройство для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов, содержащее одну или несколько консолей, на по крайней мере части поверхности по крайней мере одной из них содержащее иммобилизованное соединение или биологический объект [2]. При инкубации модифицированной консоли в анализируемом растворе происходит адсорбция определяемого вещества на поверхности консоли с образованием комплекса. Процесс адсорбции сопровождается изгибом консоли, который регистрируется оптической системой атомно-силового микроскопа, состоящей из лазера и фотодиода. Недостатком данного устройства является уменьшение чувствительности при определении низкомолекулярных соединений. Сходство описанного сенсорного устройства с заявляемым состоит в том, что чувствительным элементом устройства является кантилевер, изгиб которого является аналитическим сигналом и регистрируется оптической детектирующей системой атомно-силового микроскопа, а также в использовании для определения биологически активных соединений реакций образования и диссоциации специфических межмолекулярных комплексов. По совокупности существенных признаков вышеописанное сенсорное устройство является прототипом изобретения.A device for the qualitative and quantitative determination of chemical compounds and biological objects, containing one or more consoles, at least part of the surface of at least one of them containing an immobilized compound or biological object [2]. During incubation of the modified cantilever in the analyzed solution, the analyte is adsorbed on the surface of the cantilever with the formation of a complex. The adsorption process is accompanied by a bending of the console, which is recorded by the optical system of an atomic force microscope, consisting of a laser and a photodiode. The disadvantage of this device is the decrease in sensitivity in the determination of low molecular weight compounds. The similarity of the described sensor device with the claimed one lies in the fact that the cantilever is the sensitive element of the device, the bend of which is an analytical signal and is recorded by an atomic force microscope optical detection system, as well as in the use of specific intermolecular complexes for the formation of biologically active compounds. In combination of essential features, the above-described sensor device is a prototype of the invention.
Целью настоящего изобретения является увеличение абсолютной чувствительности сенсорного устройства.An object of the present invention is to increase the absolute sensitivity of a sensor device.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов, содержащее одну или несколько консолей, на по крайней мере части поверхности по крайней мере одной из них содержащее иммобилизованное соединение или биологический объект согласно изобретению в качестве иммобилизованного соединения или биологического объекта содержит комплекс определяемого соединения или биологического объекта с другим соединением или биологическим объектом.This object is achieved in that a device for the qualitative and quantitative determination of chemical compounds and biological objects, containing one or more consoles, at least on the surface of at least one of them containing an immobilized compound or biological object according to the invention as an immobilized compound or biological the object contains a complex of the determined compound or biological object with another compound or biological object.
При этом по крайней мере одна из консолей предпочтительно выполнена из материалов, выбранных из группы, включающей керамические материалы, полимерные материалы, кварц, нитрид кремния, кремний, оксид кремния, оксид алюминия, оксид цинка, оксид тантала, германий, оксид германия и арсенид галлия.In this case, at least one of the consoles is preferably made of materials selected from the group consisting of ceramic materials, polymeric materials, quartz, silicon nitride, silicon, silicon oxide, aluminum oxide, zinc oxide, tantalum oxide, germanium, germanium oxide and gallium arsenide .
При этом в качестве по крайней мере одной консоли предпочтительно используется кантилевер для атомно-силовой микроскопии. При этом длина кантилевера предпочтительно находится в диапазоне 0,1-200 мкм, ширина - в диапазоне 0,1-50 мкм и толщина - в диапазоне 0,03-30 мкм.Moreover, cantilever for atomic force microscopy is preferably used as at least one console. The length of the cantilever is preferably in the range of 0.1-200 microns, the width is in the range of 0.1-50 microns and the thickness is in the range of 0.03-30 microns.
При этом устройство предпочтительно содержит интерферометр или лазерную оптическую систему для измерения отклонения по крайней мере одной консоли, включающую в себя отражающую область, расположенную на консоли, источник лазерного излучения и фоточувствительный детектор.The device preferably comprises an interferometer or laser optical system for measuring the deviation of at least one console, including a reflective region located on the console, a laser source and a photosensitive detector.
Поставленная цель достигается также и способом качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов. В способе, включающем размещение хотя бы одной консоли в растворе определяемого химического соединения или биологического объекта и сравнение отклонения консоли с ее отклонением в данном растворе в отсутствие определяемого химического соединения или биологического объекта, согласно изобретению в качестве хотя бы одной консоли используют такую консоль, на которой иммобилизован комплекс определяемого химического соединения или биологического объекта с другим химическим соединением или биологическим объектом.The goal is also achieved by the method of qualitative and quantitative determination of chemical compounds and biological objects. In a method comprising placing at least one console in a solution of a detectable chemical compound or biological object and comparing the deviation of the console with its deviation in this solution in the absence of a detectable chemical compound or biological object, according to the invention, such a console is used as at least one console on which the complex of the chemical compound or biological object being determined is immobilized with another chemical compound or biological object.
При этом измерение отклонения по крайней мере одной консоли осуществляют предпочтительно с помощью интерферометра или лазерной оптической системы, включающей в себя отражающую область, расположенную на консоли, источник лазерного излучения и фоточувствительный детектор.In this case, the deviation measurement of at least one console is preferably carried out using an interferometer or laser optical system, including a reflective region located on the console, a laser radiation source and a photosensitive detector.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого сенсорного устройства. Сенсорное устройство согласно изобретению содержит корпус 1, снабженный двумя отверстиями 2 и дозирующими устройствами 3 для ввода растворов, размещенное в корпусе устройство крепления 4 одной или нескольких консолей 5. В случае использования для измерения изгиба консоли лазерной детектирующей системы корпус дополнительно содержит окно 6, выполненное из прозрачного для используемого лазерного излучения материала, а консоль 5 на одной из поверхностей содержит область, покрытую отражающим лазерное излучение слоем. Лазерная детектирующая система состоит из источника лазерного излучения 7, фотодиода 8 и системы обработки сигнала с фотодиода 9. Лазерная детектирующая система может содержать зеркало 10, призмы, линзы и иные устройства для преобразования оптического сигнала. Вместо простой лазерной системы для измерения деформаций консоли может использоваться прецизионный оптический интерферометр. На фиг.2 представлена схема используемой в сенсорном устройстве консоли. На консоли находится область 11 с иммобилизованным на ней комплексом определяемого вещества 12 или биологического объекта с другим веществом или биологическим объектом 13, при этом с поверхностью консоли связано определяемое вещество или биологический объект. На консоли также находится область 14, покрытая слоем, отражающим лазерное излучение. Области 11 и 14 могут частично перекрываться или совпадать. Консоль или ее отдельные части могут быть выполнены из керамических материалов, полимерных материалов, кварца, нитрида кремния, кремния, золота, серебра, оксида кремния, оксида алюминия, оксида цинка, оксида тантала, германия, оксида германия и арсенида галлия. Предпочтительным является выполнение консоли из кремния или нитрида кремния. Также при изготовлении консоли могут использоваться другие материалы для обеспечения наилучших механических характеристик датчика. Форма и размер консоли не являются существенными для достижения технического результата признаками.Figure 1 presents a diagram of the proposed touch device. The sensor device according to the invention comprises a housing 1 provided with two holes 2 and metering devices 3 for introducing solutions, a mounting device 4 of one or more consoles 5 located in the housing. In case of using a laser detection system for bending the console, the housing further comprises a window 6 made of transparent to the used laser radiation material, and the console 5 on one of the surfaces contains an area covered by a layer reflecting laser radiation. The laser detecting system consists of a laser source 7, a photodiode 8, and a signal processing system from a photodiode 9. The laser detecting system may include a mirror 10, prisms, lenses, and other devices for converting an optical signal. Instead of a simple laser system, a precision optical interferometer can be used to measure console deformations. Figure 2 presents a diagram used in the touch device console. On the console there is a
В качестве определяемого химического соединения может быть использован морфин. В качестве определяемого биологического объекта могут использоваться поли- и моноклональные антитела.Morphine can be used as a detectable chemical compound. As defined biological object can be used poly - and monoclonal antibodies.
Устройство работает следующим образом: корпус 1 заполняется раствором, не содержащим определяемое соединение или объект, с помощью лазерной или иной детектирующей системы производится измерение изгиба консоли, затем корпус заполняется раствором, содержащим определяемое соединение или биологический объект. При этом введенное определяемое соединение или биологический объект конкурирует с иммобилизованным за другой компонент комплексом, часть комплекса диссоциирует и компонент комплекса, связанный с определяемым веществом, переходит с поверхности консоли в раствор. Диссоциация комплекса сопровождается изменением поверхностного натяжения на границе консоли с раствором и, как следствие, изгибом консоли. Для качественного или количественного определения химического соединения или биологического объекта измеряется скорость начального изгиба консоли от ее положения в растворе, не содержащем определяемое соединение или объект, которая зависит от концентрации определяемого соединения или объекта. Другой способ определения химического соединения или биологического объекта заключается в сравнении изгиба консоли в отсутствие определяемого соединения или объекта со стационарным изгибом консоли, установившимся в растворе определяемого соединения или объекта. Вместо стационарного значения изгиба может быть использовано значение изгиба, достигаемое по истечении заранее определенного времени.The device operates as follows: the housing 1 is filled with a solution that does not contain a detectable compound or object, using a laser or other detecting system, the console bends are measured, then the housing is filled with a solution containing a detectable compound or biological object. In this case, the introduced determined compound or biological object competes with the complex immobilized for the other component, part of the complex dissociates and the complex component associated with the determined substance passes from the console surface into the solution. The dissociation of the complex is accompanied by a change in surface tension at the interface of the console with the solution and, as a consequence, the bend of the console. For a qualitative or quantitative determination of a chemical compound or biological object, the speed of the initial bending of the cantilever from its position in a solution that does not contain a detectable compound or object, which depends on the concentration of the determined compound or object, is measured. Another way to determine a chemical compound or biological object is to compare the bend of the cantilever in the absence of a detectable compound or object with a stationary bend of the cantilever established in the solution of the determined compound or object. Instead of the stationary bending value, the bending value achieved after a predetermined time has elapsed can be used.
Способ иллюстрируется следующими примерами.The method is illustrated by the following examples.
Пример 1. Для определения концентрации морфина в водном растворе используется сенсорное устройство, включающее выполненный из тефлона корпус, содержащий стеклянное окно и выполненное из тефлона крепление консоли, лазерную детектирующую систему атомно-силового микроскопа ФемтоСкан™ (производства ООО "Академия биосенсоров"). В качестве консоли используется кантилевер CSG01™ (производства Государственного Научно-Исследовательского Института Физических проблем имени Ф.В.Лукина) с иммобилизованным на нем комплексом морфина с поликлональными кроличьими антителами к морфину. Иммобилизация комплекса морфина и антител на поверхности комплекса осуществляется следующим образом: для очистки поверхности кантилевер погружают в смесь равных объемов концентрированной серной кислоты и 30%-ного водного раствора пероксида водорода. Затем кантилевер обрабатывается последовательно 50 мМ раствором 4-аминотиофенола в метаноле в течение 17 часов, 5% водным раствором глутарового альдегида в течение 2 часов и 100 мкг/мл раствором конъюгата овальбумина с морфином в 0,03 М фосфатном буферном растворе с рН 7,0 в течение 1 часа, 0,05 М раствором трис-гидроксиметиламинометана в фосфатном буферном растворе в течение 30 минут и раствором сыворотки крови кролика, содержащей специфические антитела к морфину с разведением 1:50 в фосфатном буферном растворе в течение 2 часов.Example 1. To determine the concentration of morphine in an aqueous solution, a sensor device is used, which includes a housing made of Teflon, a glass window and a console made of Teflon, a laser detecting system of the FemtoScan ™ atomic force microscope (manufactured by Academy of Biosensors LLC). The cantilever CSG01 ™ (manufactured by the F.V. Lukin State Research Institute of Physical Problems) with the morphine complex with polyclonal rabbit antibodies to morphine immobilized on it is used as a console. The immobilization of the complex of morphine and antibodies on the surface of the complex is as follows: to clean the surface, the cantilever is immersed in a mixture of equal volumes of concentrated sulfuric acid and a 30% aqueous solution of hydrogen peroxide. The cantilever is then treated sequentially with a 50 mM solution of 4-aminothiophenol in methanol for 17 hours, a 5% aqueous solution of glutaraldehyde for 2 hours and a 100 μg / ml solution of the ovalbumin conjugate with morphine in 0.03 M phosphate buffer solution with a pH of 7.0 for 1 hour, with a 0.05 M solution of tris-hydroxymethylaminomethane in a phosphate buffer solution for 30 minutes and a rabbit blood serum solution containing specific antibodies to morphine with a 1:50 dilution in phosphate buffer solution for 2 hours.
Кантилевер закрепляют в держателе и корпус заполняют 0,03 М фосфатным буферным раствором. Для качественного и количественного определения морфина корпус заполняют анализируемым раствором и измеряют изгиб кантилевера относительно его положения в фосфатном буферном растворе через 5 минут после введения исследуемого раствора. Содержание морфина определяют по предварительно построенной градуировочной зависимости изгиба кантилевера от концентрации морфина в растворе. Способ позволяет определять морфин в концентрации 1 мкг/мл.The cantilever is fixed in the holder and the housing is filled with 0.03 M phosphate buffered saline. For qualitative and quantitative determination of morphine, the casing is filled with the analyzed solution and the cantilever bend is measured relative to its position in the phosphate buffer solution 5 minutes after the injection of the test solution. The morphine content is determined by the previously constructed calibration dependence of the cantilever bend on the concentration of morphine in the solution. The method allows to determine morphine at a concentration of 1 μg / ml.
Пример 2. Для определения концентрации морфина используют сенсорное устройство, аналогичное устройству, используемому в примере 1, за исключение того, что в качестве одного из компонентов комплекса используются человеческие антитела к морфину. Измерение концентрации морфина осуществляется тем же способом, что и в примере 1.Example 2. To determine the concentration of morphine, a sensor device similar to that used in example 1 is used, except that human antibodies to morphine are used as one of the components of the complex. The concentration of morphine is measured in the same manner as in example 1.
Из литературных данных [3] известно, что устройство для количественного определения антител к 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоте, реализованное согласно [2], позволяет определять антитела в концентрации 5 мкг/мл, таким образом, цель увеличения абсолютной чувствительности сенсорного устройства является достигнутой.From the literature [3] it is known that the device for the quantitative determination of antibodies to 2,4-dichlorophenoxyacetic acid, implemented according to [2], allows the determination of antibodies at a concentration of 5 μg / ml, thus, the goal of increasing the absolute sensitivity of the sensor device is achieved.
Источники информацииInformation sources
1. Masson М., Yun K.S., Haruyama Т., Kobatake E., Aizawa М. // Anal. Chem. 1995. V.67. №13. Р.2212.1. Masson M., Yun K.S., Haruyama T., Kobatake E., Aizawa M. // Anal. Chem. 1995. V. 67. No. 13. P.2212.
2. Thundat Т.О., Jacobson K.B, Doktycz M.J., Kennel S.J., Warmack R.J. // United States Patent №6289717.2. Thundat T.O., Jacobson K.B., Doktycz M.J., Kennel S.J., Warmack R.J. // United States Patent No. 6289717.
3. Raiteri R., Nelles G., Butt H.-J., Knoll W., Skladál P. // Sensors and Actuators B. 1999. V.61. P.213.3. Raiteri R., Nelles G., Butt H.-J., Knoll W., Skladál P. // Sensors and Actuators B. 1999. V. 61. P.213.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006103665/28A RU2327140C2 (en) | 2006-02-08 | 2006-02-08 | Device and method for qualitative and quantative analysis of chemical compositions and biological bodies |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006103665/28A RU2327140C2 (en) | 2006-02-08 | 2006-02-08 | Device and method for qualitative and quantative analysis of chemical compositions and biological bodies |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006103665A RU2006103665A (en) | 2007-08-20 |
RU2327140C2 true RU2327140C2 (en) | 2008-06-20 |
Family
ID=38511749
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006103665/28A RU2327140C2 (en) | 2006-02-08 | 2006-02-08 | Device and method for qualitative and quantative analysis of chemical compositions and biological bodies |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2327140C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2517114C2 (en) * | 2012-06-20 | 2014-05-27 | Закрытое акционерное общество "Центр перспективных технологий" | Method of identifying prostate-specific antigen in liquid medium |
-
2006
- 2006-02-08 RU RU2006103665/28A patent/RU2327140C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2517114C2 (en) * | 2012-06-20 | 2014-05-27 | Закрытое акционерное общество "Центр перспективных технологий" | Method of identifying prostate-specific antigen in liquid medium |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006103665A (en) | 2007-08-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8488120B2 (en) | Polarization based interferometric detector | |
Gopinath | Biosensing applications of surface plasmon resonance-based Biacore technology | |
North | Immunosensors: antibody-based biosensors | |
Leatherbarrow et al. | Analysis of molecular recognition using optical biosensors | |
US5753518A (en) | Method of determining affinity and kinetic properties | |
Hutchinson | Evanescent wave biosensors: real-time analysis of biomolecular interactions | |
Yeung et al. | Detection and quantification of biomolecular interactions with optical biosensors | |
WO2000058729A2 (en) | Micromechanical antibody sensor | |
Hu et al. | Immunodetection of pentamer and modified C-reactive protein using surface plasmon resonance biosensing | |
Pfeifer et al. | Real time sensing of specific molecular binding using surface plasmon resonance spectroscopy | |
Salina et al. | Multi-spot, label-free immunoassay on reflectionless glass | |
Chammem et al. | Surface plasmon resonance for C-reactive protein detection in human plasma | |
RU2327140C2 (en) | Device and method for qualitative and quantative analysis of chemical compositions and biological bodies | |
WO1993025910A1 (en) | Assay for multiple analytes with co-immobilized ligands | |
Masson et al. | Monitoring of recombinant survival motor neuron protein using fiber-optic surface plasmon resonance | |
JP4663318B2 (en) | Coated metal surfaces on solid supports useful for analyte detection by displacement | |
KR100511055B1 (en) | Measuring method of biochip and biosensor using surface plasmon resonance combined with an enzymatic precipitation | |
EP2313777B1 (en) | A method of characterizing antibodies | |
Bertucci et al. | Optical biosensors as a tool for early determination of absorption and distribution parameters of lead candidates and drugs | |
US20230003739A1 (en) | Optical method for detecting a target molecule by means of the amplification in the interference response, resulting from the refractive index and dispersion | |
Qi et al. | Real Time and Label-Free Research on the Detection of Pituitary Adenylate Cyclase-Activating Polypeptide Based on Surface Plasmon Resonance Technique. | |
Lennartz et al. | Surface Plasmon Resonance Analysis of PfEMP1 Interaction with Receptors | |
Znoyko et al. | Label-free method for screening antibodies against thyroxin | |
Liang | Label-Free Detection of Molecular Interactions | |
Dahint | Label-free in situ detection of adsorption processes by acoustic wave-based sensors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090209 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20101230 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180209 |