RU2546518C2 - Method for analysing membrane-bound red cell haemoglobin by giant combined diffusion spectroscopy on nanostructured coatings - Google Patents

Method for analysing membrane-bound red cell haemoglobin by giant combined diffusion spectroscopy on nanostructured coatings Download PDF

Info

Publication number
RU2546518C2
RU2546518C2 RU2013123642/15A RU2013123642A RU2546518C2 RU 2546518 C2 RU2546518 C2 RU 2546518C2 RU 2013123642/15 A RU2013123642/15 A RU 2013123642/15A RU 2013123642 A RU2013123642 A RU 2013123642A RU 2546518 C2 RU2546518 C2 RU 2546518C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silver
membrane
spectra
nanostructured coatings
cells
Prior art date
Application number
RU2013123642/15A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013123642A (en
Inventor
Евгений Алексеевич Гудилин
Анна Александровна Семенова
Надежда Александровна Браже
Алексей Рудольфович Браже
Георгий Владимирович Максимов
Евгения Юрьевна Паршина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2013123642/15A priority Critical patent/RU2546518C2/en
Publication of RU2013123642A publication Critical patent/RU2013123642A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2546518C2 publication Critical patent/RU2546518C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: membrane-bound red cell haemoglobin by giant combined diffusion (GCD) spectroscopy is analysed by the use of nanostructured coatings in the form of ring silver nanostructures having the hierarchical structure. Silver ring rims consists of connected micron-scale porous silver aggregates, the surface of which comprises rounded silver nanoparticles 2-100nm embedded into a matrix. The red cell immobilisation time on the nanostructured coatings makes 5-40 minutes, and GCD spectra are generated by green laser at wave length 514 or 532 nm.
EFFECT: invention enables diagnosing membrane-bound haemoglobin in undamaged red cells by the giant combined diffusion.
4 cl, 4 ex, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области медицинской диагностики и биоаналитических исследований, может быть применено для обнаружения биологических молекул и маркеров в биологических жидкостях (крови, слюне и др.), исследования строения биомолекул, для криминалистических целей.The invention relates to the field of medical diagnostics and bioanalytical studies, can be used to detect biological molecules and markers in biological fluids (blood, saliva, etc.), study the structure of biomolecules, for forensic purposes.

Уровень техникиState of the art

Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния (ГКР-спектроскопия) с использованием наноструктурированных материалов на основе серебра находит применение в самых разных областях, связанных с обнаружением единичных клеток и биологических молекул при наномолярных концентрациях. Важным направлением биомедицинской диагностики с использованием ГКР-спектроскопии является исследование крови, а именно изменений структуры, конформации и, как следствие, кислород-связывающих свойств гемоглобина (Гб) в составе живых эритроцитов. Конформация и свойства Гб могут быть опосредованы патологиями сердечно-сосудистой системы или рядом наследственных заболеваний. Известно, что эритроциты содержат гемоглобин двух типов: цитоплазматический (Гбцит) и мембранносвязанный Гб (Гбмс). Традиционная спектроскопия КР при исследовании крови позволяет зарегистрировать спектры КР только от Гбцит в эритроцитах, т.к. вклад Гбмс незначителен ввиду того, что его концентрация очень мала - составляет меньше 0,5% от концентрации Гбцит. В случае ГКР-спектроскопии усиление сигнала КР происходит от Гбмс, расположенного в непосредственной близости к наноструктурам серебра, и, таким образом, по спектрам ГКР можно оценивать изменения конформации и О2-связывающих свойств Гбмс. Известно, что при многих сердечно-сосудистых заболеваниях (ССЗ) и сахарном диабете изменяется белковый состав и подмембранный цитоскелет эритроцитов и увеличивается количество белка полосы 3 (анионый обменник АЕ1), к которому прикрепляется мембраносвязанный Гбмс (Santos-Silva, A., et al., Erythrocyte damage and leukocyte activation in ischemic stroke. Clin. Chim. Acta 2002. 320 (1-2), p.29-35 и Petropoulos, I.K., et al., Structural alterations of the erythrocyte membrane proteins in diabetic retinopathy. Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol., 2007. 245(8), p. 1179-1188); при ССЗ и диабете изменяется активность ионного транспорта через плазматическую мембрану эритроцитов, а следовательно, в подмембранном пространстве эритроцитов наиболее существенно изменяются локальные концентрации ионов, в первую очередь, ионов Н+, Са2+,

Figure 00000001
(Luneva, O.G., et al., Ion transport, membrane fluidity and haemoglobin conformation in erythrocytes from patients with cardiovascular diseases: Role of augmented cholesterol. Pathophysiology, 2007. 14(1): p. 41-46). Перечисленные факты дают возможность предположить, что уже на ранних этапах болезни существуют изменения в ионном составе цитоплазмы в примембранном пространстве эритроцитов, а также увеличивается число мест связывания Гб на плазматической мембране. Поскольку конформация Гб и его O2-связывающие свойства напрямую зависят от концентрации ионов и связывания на мембране, то можно предположить, что по изменениям конформации Гбмс можно судить о ранней стадии возникновения ССЗ. Таким образом, исследование функционального состояния и конформации Гбмс имеет большое значение как для понимания процессов, протекающих в эритроцитах, так и может служить основой для проведения медицинской диагностики ССЗ.Giant Raman spectroscopy (GCR spectroscopy) using silver-based nanostructured materials is used in a wide variety of fields related to the detection of single cells and biological molecules at nanomolar concentrations. An important area of biomedical diagnostics using SERS spectroscopy is the study of blood, namely changes in the structure, conformation and, as a consequence, the oxygen-binding properties of hemoglobin (GB) in living red blood cells. The conformation and properties of GB can be mediated by pathologies of the cardiovascular system or a number of hereditary diseases. Erythrocytes are known to contain two types of hemoglobin: cytoplasmic (GB cyt ) and membrane-bound GB (GB ms ). Conventional Raman spectroscopy in blood tests allows recording Raman spectra only from GB cyt in red blood cells, because the contribution of GB ms is insignificant due to the fact that its concentration is very small - it is less than 0.5% of the concentration of GB cyt . In the case of SERS spectroscopy, the amplification of the Raman signal comes from GB ms located in close proximity to silver nanostructures, and thus, changes in the conformation and O 2 -binding properties of GB ms can be estimated from the Raman spectra. With many cardiovascular diseases (CVD) and diabetes mellitus, the protein composition and the submembrane cytoskeleton of erythrocytes are known to change and the amount of protein of band 3 (anion exchanger AE1) increases, to which a membrane-bound GB ms is attached (Santos-Silva, A., et al ., Erythrocyte damage and leukocyte activation in ischemic stroke. Clin. Chim. Acta 2002. 320 (1-2), p.29-35 and Petropoulos, IK, et al., Structural alterations of the erythrocyte membrane proteins in diabetic retinopathy. Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. 2007,245 (8), p. 1179-1188); in CVD and diabetes, the activity of ion transport through the plasma membrane of erythrocytes changes, and therefore, in the submembrane space of red blood cells, the local concentrations of ions, primarily H + , Ca 2+ ions, change most significantly,
Figure 00000001
(Luneva, OG, et al., Ion transport, membrane fluidity and haemoglobin conformation in erythrocytes from patients with cardiovascular diseases: Role of augmented cholesterol. Pathophysiology, 2007.14 (1): p. 41-46). These facts make it possible to assume that already in the early stages of the disease there are changes in the ionic composition of the cytoplasm in the near-membrane space of red blood cells, and the number of GB binding sites on the plasma membrane also increases. Since the conformation of GB and O 2 -binding properties directly depend on the concentration of ions and binding to the membrane, it can be assumed that changes conformation GB ms can judge the early stages of CVD. Thus, the study of the functional state and conformation of GB ms is of great importance both for understanding the processes occurring in red blood cells and can serve as the basis for medical diagnosis of CVD.

Известен способ исследования Гбмс в интактных эритроцитах методом ГКР-спектроскопии (Brazhe, N.A., et al., New Insight into Erythrocyte through In Vivo Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. Biophysical Journal, 2009. 97(12): p. 3206-3214). В указанной работе наночастицы (НЧ) серебра, полученные по методу Леопольда и Лендла, были смешаны с эритроцитами в пропорции 1:1 до однородной смеси. Спектры ГКР снимали с использованием зеленого лазера длиной волны 532 нм. Оценочные коэффициенты усиления для различных полос поглощения порфиринового кольца гемоглобина составляют: в области 1172 см-1-1,3·105, 1375 см-1-1,5·104, 1580 см-1-2,9·104, 1640 см-1-1,4·104.A known method of studying GB ms in intact erythrocytes by Raman spectroscopy (Brazhe, NA, et al., New Insight into Erythrocyte through In Vivo Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. Biophysical Journal, 2009. 97 (12): p. 3206-3214) . In this work, silver nanoparticles (NPs) obtained by the Leopold and Lendl method were mixed with red blood cells in a 1: 1 ratio to a homogeneous mixture. The SERS spectra were recorded using a green laser with a wavelength of 532 nm. The estimated gain for different absorption bands of the hemoglobin porphyrin ring are: in the region of 1172 cm -1 -1.3 · 10 5 , 1375 cm -1 -1.5 · 10 4 , 1580 cm -1 -2.9 · 10 4 , 1640 cm -1 -1.4 · 10 4 .

Аналогом настоящего изобретения является метод анализа β-каротина и гемоглобина в человеческой плазме крови с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеивания (Casella, М., et al., Raman and SERS recognition of β-carotene and haemoglobin fingerprints in human whole blood. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2011. 79(5): p. 915-919).An analogue of the present invention is a method for analyzing β-carotene and hemoglobin in human blood plasma using giant Raman spectroscopy (Casella, M., et al., Raman and SERS recognition of β-carotene and haemoglobin fingerprints in human whole blood. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2011. 79 (5): p. 915-919).

Существенным недостатком данных методов исследования плазмы крови и Гбмс в эритроцитах является использование коллоидного раствора наночастиц (НЧ), который может оказывать токсическое и осмотическое воздействие на клетки, маскировать ГКР-сигнал органическими молекулами или побочными продуктами, входящими в состав золей НЧ. Кроме того, возможно отсутствие эффективных прямых контактов НЧ с клетками или биомолекулами плазмы крови. Данные проблемы успешно решаются в заявляемом изобретении с использованием наноструктурированных покрытий в виде кольцевых наноструктур серебра, имеющих иерархическую структуру.A significant drawback of these methods for studying blood plasma and GB ms in erythrocytes is the use of a colloidal solution of nanoparticles (NP), which can have toxic and osmotic effects on cells, mask the HRS signal with organic molecules or by-products that are part of NP sols. In addition, the absence of effective direct contacts of NPs with blood plasma cells or biomolecules is possible. These problems are successfully solved in the claimed invention using nanostructured coatings in the form of ring silver nanostructures having a hierarchical structure.

Описан метод исследования плазмы крови и эритроцитов с помощью ГКР-спектроскопии (Premasiri, W.R., J.С. Lee, and L.D. Ziegler, Surface-Enhanced Raman Scattering of Whole Human Blood, Blood Plasma, and Red Blood Cells: Cellular Processes and Bioanalytical Sensing. The Journal of Physical Chemistry В, 2012. 116(31): p. 9376-9386). В данной работе каплю крови, предварительно смешанную с наночастицами золота, наносили на подложку из SiO2 и давали высохнуть в течение 1 ч. Спектры ГКР были сняты с использованием лазера длиной волны 785 нм. Отличительной особенностью указанного выше метода от заявляемого изобретения является то, что спектры ГКР снимаются не с живых эритроцитов, а с сушенной капли крови. В связи с этим такой способ невозможно использовать для медицинской диагностики живых биообъектов.A method for studying blood plasma and red blood cells using SEC spectroscopy (Premasiri, WR, J.C. Lee, and LD Ziegler, Surface-Enhanced Raman Scattering of Whole Human Blood, Blood Plasma, and Red Blood Cells: Cellular Processes and Bioanalytical Sensing The Journal of Physical Chemistry B, 2012. 116 (31): p. 9376-9386). In this work, a drop of blood preliminarily mixed with gold nanoparticles was deposited on a SiO 2 substrate and allowed to dry for 1 h. The SERS spectra were recorded using a 785 nm laser. A distinctive feature of the above method from the claimed invention is that the SQR spectra are not taken from living red blood cells, but from a dried drop of blood. In this regard, this method cannot be used for medical diagnostics of living bioobjects.

Единственная работа, в которой наноструктурированные подложки использовались для ГКР-анализа живых клеток, - это работа по обнаружению бактерий в крови (Liu, T.Y., et al., Functionilized arrays of Raman-enhancing nanoparticles for capture and culture-free analysis of bacteria in human blood. Nature Communications. 2011. 2:538. DOI: 10.1038/ncomms1546). В указанной работе предлагалось использовать подложки на основе анодного оксида алюминия, декорированного массивом наночастиц серебра и покрытого слоем ванкомицина. Недостаток таких подложек для мультифункционального использования биочипов определяется необходимостью замены слоя ванкомицина на другие гликопептиды для обнаружения других микроорганизмов. Кроме того, подобные подложки невозможно использовать для исследования небактериальных клеток.The only work in which nanostructured substrates were used for SERS analysis of living cells was the work on detecting bacteria in the blood (Liu, TY, et al., Functionilized arrays of Raman-enhancing nanoparticles for capture and culture-free analysis of bacteria in human blood. Nature Communications. 2011.2: 538. DOI: 10.1038 / ncomms1546). In this work, it was proposed to use substrates based on anodic alumina, decorated with an array of silver nanoparticles and coated with a layer of vancomycin. The lack of such substrates for the multifunctional use of biochips is determined by the need to replace the vancomycin layer with other glycopeptides in order to detect other microorganisms. In addition, such substrates cannot be used to study non-bacterial cells.

Таким образом, известные из уровня техники аналоги настоящего изобретения не позволяют осуществлять неинвазивную диагностику живых клеток и эритроцитов методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеивания в результате наличия стадии смешения клеток плазмы крови с коллоидными растворами наночастиц, имеющих менее эффективный контакт с клетками, более длительный период иммобилизации клеток.Thus, analogues of the present invention known from the prior art do not allow non-invasive diagnostics of living cells and red blood cells by giant Raman spectroscopy as a result of the stage of mixing of blood plasma cells with colloidal solutions of nanoparticles having less effective contact with cells, a longer period of cell immobilization.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задача и технический результат настоящего изобретения заключаются в создании способа анализа мембраносвязанного гемоглобина в эритроцитах с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеивания на наноструктурированных покрытиях для диагностики живых клеток. Использование наноструктурированных подложек с контролируемой морфологией не вызывает гемолиз эритроцитов и позволяет осуществлять их диагностику методом ГКР в результате более эффективного контакта наночастиц (НЧ) с живыми клетками плазмы крови, исключая стадию смешения эритроцитов с коллоидными растворами НЧ и сокращая время иммобилизации клеток.The objective and technical result of the present invention are to create a method for the analysis of membrane-bound hemoglobin in red blood cells using giant Raman spectroscopy on nanostructured coatings for the diagnosis of living cells. The use of nanostructured substrates with controlled morphology does not cause erythrocyte hemolysis and allows them to be diagnosed by SEC as a result of more effective contact of nanoparticles (NPs) with living blood plasma cells, eliminating the stage of mixing of red blood cells with colloidal solutions of NPs and reducing the time of cell immobilization.

Поставленная задача решается тем, что заявленный способ анализа мембраносвязанного гемоглобина в эритроцитах с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) характеризуется тем, что для исследования используют наноструктурированные покрытия в виде кольцевых наноструктур серебра, имеющих иерархическую структуру, при этом ободки серебряных колец состоят из сообщающихся друг с другом пористых агрегатов серебра микронного размера, на поверхности которых расположены и внедрены в матрицу округлые наночастицы серебра размером 2-100 нм.The problem is solved in that the claimed method for the analysis of membrane-bound hemoglobin in erythrocytes using giant Raman spectroscopy (GCR) is characterized in that nanostructured coatings in the form of ring silver nanostructures having a hierarchical structure are used for research, while the rims of the silver rings consist of interconnected micron-sized porous silver aggregates, on the surface of which rounded silver nanoparticles are located and embedded into the matrix and the size of 2-100 nm.

Также поставленная задача решается тем, что используемые в упомянутом выше способе анализа наноструктурированные покрытия с контролируемой морфологией не вызывают гемолиза эритроцитов и позволяют осуществлять их диагностику методом ГКР.Also, the problem is solved by the fact that the nanostructured coatings with controlled morphology used in the above analysis method do not cause erythrocyte hemolysis and allow their diagnosis by SEC.

Частным вариантом настоящего изобретения является упомянутый выше способ, включающий подготовку клеток плазмы крови и их нанесение на наноструктурированные покрытия с последующей иммобилизацией и снятием ГКР-спектров.A particular embodiment of the present invention is the aforementioned method, which includes preparing blood plasma cells and applying them to nanostructured coatings, followed by immobilization and removal of the SERS spectra.

Частным вариантом настоящего изобретения является упомянутый выше способ, согласно которому время иммобилизации клеток на наноструктурированных покрытиях составляет от 5 до 40 минут.A particular embodiment of the present invention is the aforementioned method, according to which the time of immobilization of cells on nanostructured coatings is from 5 to 40 minutes.

Другим частным вариантом настоящего изобретения является упомянутый выше способ, согласно которому ГКР-спектры получают с использованием зеленых лазеров с длиной волны 514 или 532 нм.Another particular embodiment of the present invention is the aforementioned method, according to which the SEC spectra are obtained using green lasers with a wavelength of 514 or 532 nm.

Изобретение иллюстрируется фигурами и примерами.The invention is illustrated by figures and examples.

Описание чертежейDescription of drawings

Фигура 1. (а) КР- и ГКР-спектры эритроцитов, теней эритроцитов и изолированного гемоглобина, полученные при различных условиях. Серым цветом обозначено среднее отклонение от экспериментальных результатов, черными линиями показаны усредненные спектры. (1) КР-спектр крови, разведенной в 3000 раз и (2) цельной крови, нанесенных на предметное стекло. (3) ГКР-спектр суспензии эритроцитов, полученных разведением крови в 3000 раз и поврежденных лазерным пучком с длиной волны 514 нм и с мощностью излучения, в 20 раз превышающей мощность, используемую в других ГКР-экспериментах. (4) ГКР-спектр суспензии эритроцитов, полученной разведением крови в 5000 раз, полученный при усреднении ГКР-спектров, зарегистрированных с различных участков подложки с использованием лазера 532 нм. (5) Серия ГКР-спектров суспензии эритроцитов, полученной разведением крови в 3000 раз, спектры ГКР регистрировали с использованием лазера 514 нм с одной и той же области на подложке с разницей в 2 мин между измерениями. (6, 7) ГКР-спектры суспензии эритроцитов, полученной разведением крови в 3000 раз, зарегистрированные с использованием лазера 514 нм и различных подложек с перекрывающимися кольцами серебра, визуально имеющими вид «серебряного зеркала», (б) ГКР-спектры изолированного гемоглобина и теней эритроцитов на наноструктурированных серебряных подложках (во всех случаях длина волны лазера - 514 нм). ГКР-спектры изолированного гемоглобина в концентрациях 1 мкМ (1) и 0.33 нМ (2), теней эритроцитов с низким содержанием Гбмс спустя 15 мин после нанесения на подложки, необходимых для прикрепления теней к подложке (3). ГКР-спектры теней эритроцитов с Гбмс, зарегистрированные с одной и той же области подложки и временной разницей между каждым спектром в 2 мин (4-8). (в) Схема порфиринового комплекса железа с характеристическими колебаниями связей, обозначенных цветом. (г) Схема, иллюстрирующая предполагаемые месторасположения эритроцитов на наноструктурированной серебряной подложке: 1 - на стенке, 2 - в месте соприкосновения со стенкой, 3 - в области с высокой плотностью кластеров серебра, 4 - на участке, не содержащем серебро.Figure 1. (a) Raman and SQR spectra of erythrocytes, erythrocyte shadows, and isolated hemoglobin obtained under various conditions. Gray color indicates the average deviation from the experimental results, black lines show the averaged spectra. (1) The Raman spectrum of blood diluted 3,000 times; and (2) whole blood applied to a glass slide. (3) The SEC spectrum of a suspension of red blood cells obtained by diluting blood 3,000 times and damaged by a laser beam with a wavelength of 514 nm and with a radiation power 20 times higher than the power used in other SERS experiments. (4) The SEC spectrum of an erythrocyte suspension obtained by diluting blood 5,000 times, obtained by averaging the SEC spectra recorded from various regions of the substrate using a 532 nm laser. (5) A series of SEC spectra of a erythrocyte suspension obtained by dilution of blood 3,000 times, SEC spectra were recorded using a 514 nm laser from the same region on a substrate with a difference of 2 min between measurements. (6, 7) SEC spectra of a erythrocyte suspension obtained by diluting blood 3,000 times, recorded using a 514 nm laser and various substrates with overlapping silver rings visually looking like a “silver mirror”, (b) SEC spectra of isolated hemoglobin and shadows erythrocytes on nanostructured silver substrates (in all cases, the laser wavelength is 514 nm). The SEC spectra of isolated hemoglobin at concentrations of 1 μM (1) and 0.33 nM (2), shadow of erythrocytes with a low content of GB ms 15 minutes after application to the substrates necessary for the attachment of shadows to the substrate (3). The SQR spectra of the erythrocyte shadow with GB ms recorded from the same region of the substrate and the time difference between each spectrum of 2 min (4-8). (c) Scheme of the porphyrin complex of iron with characteristic vibrations of bonds indicated by color. (d) A diagram illustrating the proposed locations of red blood cells on a nanostructured silver substrate: 1 - on the wall, 2 - at the point of contact with the wall, 3 - in the area with a high density of silver clusters, 4 - in the area that does not contain silver.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Кровь получали из хвостовой вены самцов крыс линии Wistar. Разбавление крови в 3000 или 5000 раз осуществляли с использованием физиологического раствора Алена составом: рН=7.4, 145 мМ NaCl, 5 мМ KCl, 4 мМ KCl, 4 мМ Na2HPO4, 1 мМ NaH2PO4, 1 мМ MgSO4, 1 мМ CaCl2.Blood was obtained from the tail vein of male Wistar rats. Dilution of blood 3000 or 5000 times was carried out using Alain physiological solution with the composition: pH = 7.4, 145 mM NaCl, 5 mM KCl, 4 mM KCl, 4 mM Na 2 HPO 4 , 1 mM NaH 2 PO 4 , 1 mM MgSO 4 , 1 mM CaCl 2 .

Пример 1.Example 1

Для исследований методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) и для осуществления ГКР-картирования эритроцитов образец цельной крови центрифугировали (3000 g, 10 мин) и удаляли супернатант. Каплю сконцентрированной после центрифугирования суспензии эритроцитов наносили на покрытия с кольцевыми наноструктурами из металлического серебра (Eugene A. Goodilin et al., Planar SERS nanostructures with stochastic silver ring morphology for biosensor chips, J. Mater. Chem., 2012, 22, 24479-2495%). ГКР-спектры образцов получали с использованием зеленых лазеров с длиной волны 514 или 532 нм.For scanning electron microscopy (SEM) studies and for performing SERS mapping of red blood cells, a whole blood sample was centrifuged (3000 g, 10 min) and the supernatant was removed. A drop of erythrocyte suspension concentrated after centrifugation was applied to coatings with ring silver metal nanostructures (Eugene A. Goodilin et al., Planar SERS nanostructures with stochastic silver ring morphology for biosensor chips, J. Mater. Chem., 2012, 22, 24479-2495 %). The SERS spectra of the samples were obtained using green lasers with a wavelength of 514 or 532 nm.

Пример 2.Example 2

Изолированный гемоглобин выделяли с использованием фосфатного буфера (Na2HPO4:NaH2PO4·2H2O=4:1) с низкой осмолярностью и рН=7.2. Гемолиз эритроцитов протекал с разрушением плазматической мембраны и выходом цитоплазматического гемоглобина в буферный раствор. Для очищения цитоплазматического гемоглобина от остатков плазматической эритроцитарную массу разбавляли в 5-15 раз буфером, центрифугировали в течение 10 мин (5000 g) и отбирали полученный супернатант, который применяли для регистрации спектров КР гемоглобина на покрытиях с кольцевыми наноструктурами из металлического серебра (способ получения в примере 1). ГКР-спектры образцов получали с использованием зеленых лазеров с длиной волны 514 или 532 нм. Концентрация гемоглобина в супернатанте, оцененная по спектрам поглощения, составляла 10-4 М.Isolated hemoglobin was isolated using a phosphate buffer (Na 2 HPO 4 : NaH 2 PO 4 · 2H 2 O = 4: 1) with low osmolarity and pH = 7.2. Red blood cell hemolysis proceeded with the destruction of the plasma membrane and the release of cytoplasmic hemoglobin into the buffer solution. To clean the cytoplasmic hemoglobin from the remnants of the plasma, the erythrocyte mass was diluted 5-15 times with buffer, centrifuged for 10 min (5000 g), and the obtained supernatant was selected, which was used to record the Raman spectra of hemoglobin on coatings with ring silver metal nanostructures (the method of obtaining example 1). The SERS spectra of the samples were obtained using green lasers with a wavelength of 514 or 532 nm. The hemoglobin concentration in the supernatant, estimated from the absorption spectra, was 10 -4 M.

Пример 3.Example 3

Для получения «теней» эритроцитов (замкнутых везикул, состоящих из плазматической мембраны эритроцитов с Гбмс) плазму крови отделяли от эритроцитов центрифугированием крови (440 g, 10 мин) в фосфатном буфере (рН=7.2) при 4°C. Количество эритроцитов подсчитывали в камере Горяева. Используя фосфатный буфер, доводили количество эритроцитов до 107 клеток/мкл. Полученную суспензию эритроцитов разводили в 20 раз ледяным фосфатным буфером (рН=7.4) и центрифугировали при 4°C (4000 g, 40 мин). Супернатант, содержащий цитоплазматический гемоглобин, отделяли. Осадок, содержащий тени эритроцитов, суспендировали в свежеприготовленном ледяном фосфатном буфере (рН=7.4) и центрифугировали при 4°C (4000 об/мин, 40 мин). Процедуру повторяли 5 раз. Далее проводили концентрирование теней эритроцитов в буфере Алена (рН=7.4) путем центрифугирования образца (10000 g, 30 мин). Полученные тени эритроцитов имели розоватый цвет ввиду наличия мембраносвязанного гемоглобина, прикрепленного к АЕ1 обменнику мембраны. ГКР-анализ полученных «теней» эритроцитов проводили на покрытиях с кольцевыми наноструктурами из металлического серебра (способ получения в примере 1) с использованием зеленых лазеров с длиной волны 514 или 532 нм.To obtain "shadows" of red blood cells (closed vesicles consisting of a plasma membrane of red blood cells with GB ms ), blood plasma was separated from red blood cells by centrifugation of blood (440 g, 10 min) in phosphate buffer (pH = 7.2) at 4 ° C. The number of red blood cells was counted in the Goryaev’s chamber. Using phosphate buffer, the number of red blood cells was adjusted to 10 7 cells / μl. The resulting erythrocyte suspension was diluted 20 times with ice-cold phosphate buffer (pH = 7.4) and centrifuged at 4 ° C (4000 g, 40 min). The supernatant containing cytoplasmic hemoglobin was separated. The pellet containing erythrocyte shadows was suspended in freshly prepared ice-cold phosphate buffer (pH 7.4) and centrifuged at 4 ° C (4000 rpm, 40 min). The procedure was repeated 5 times. Next, concentration of erythrocyte shadows was carried out in Alain's buffer (pH = 7.4) by centrifuging the sample (10000 g, 30 min). The obtained erythrocyte shadows had a pinkish color due to the presence of membrane-bound hemoglobin attached to the AE1 membrane exchanger. GCR analysis of the obtained “shadows” of erythrocytes was carried out on coatings with ring metal silver nanostructures (the method of preparation in Example 1) using green lasers with a wavelength of 514 or 532 nm.

Пример 4.Example 4

Тени эритроцитов с низким содержанием мембраносвязанного гемоглобина получали по аналогичной методике, заменяя фосфатный буфер с рН=7.2 на буфер с рН=8.0. Щелочная среда способствовала отделению большего числа молекул мембраносвязанного гемоглобина от белка АЕ1. В отличие от предыдущих, тени без мембраносвязанного гемоглобина имеют белесый цвет. Для ГКР-экспериментов суспензию с тенями эритроцитов разбавляли в 1000 раз и наносили на покрытия с кольцевыми наноструктурами из металлического серебра (способ получения в примере 1). ГКР-спектры образцов получали с использованием зеленых лазеров с длиной волны 514 или 532 нм.Shadow of erythrocytes with a low content of membrane-bound hemoglobin was obtained by a similar method, replacing a phosphate buffer with pH = 7.2 with a buffer with pH = 8.0. The alkaline medium facilitated the separation of a larger number of membrane-bound hemoglobin molecules from AE1 protein. Unlike the previous ones, shadows without membrane-bound hemoglobin are whitish. For GCR experiments, a suspension with erythrocyte shadows was diluted 1000 times and applied to coatings with ring silver metal nanostructures (the preparation method in Example 1). The SERS spectra of the samples were obtained using green lasers with a wavelength of 514 or 532 nm.

Как видно из Фиг. 1 при разбавлении крови обычный КР-сигнал исчезает: так, для образца крови, разбавленного в 3000 раз и помещенного на предметное стекло, КР-спектр отсутствует (Фиг. 1, а, спектры 1 и 2). Это свидетельствует о том, что спектр КР сильно разбавленных образцов не может быть зарегистрирован без ГКР-активной подложки. Показано, что лазерное излучение длиной волны 514 и 532 нм с оптимально подобранной мощностью (6 мВт на пятно диаметром 2 мм) позволяет сохранить эритроциты в живом состоянии. ГКР-исследования изолированного Гб и теней эритроцитов с Гбмс, в присутствии наноструктурированных серебряных подложек показали, что наблюдаемые ГКР-спектры эритроцитов отвечают колебаниям связей гемопорфирина в Гбмс (Фиг. 1, б). Так, ГКР-спектры живых эритроцитов (Фиг. 1, а, спектры 4-7) соответствуют усиленному сигналу КР Гбмс. В ГКР-спектрах эритроцитов на наноструктурированных покрытиях с кольцевыми структурами (Фиг. 1, а, спектры 4 и 5) наблюдается наиболее интенсивный пик при 1370-1375 см-1, а также два перекрывающихся пика в области 1560-1588 и 1620-1630 см-1, возникающих вследствие усиления характеристических пиков КР гемопорфирина Гб, расположенных при 1550, 1564, 1588 см-1 и 1622, 1640 см-1, соответственно.As can be seen from FIG. 1, when blood is diluted, the usual Raman signal disappears: for a blood sample diluted 3,000 times and placed on a glass slide, there is no Raman spectrum (Fig. 1a, spectra 1 and 2). This indicates that the Raman spectrum of highly diluted samples cannot be recorded without a SERS active substrate. It was shown that laser radiation with a wavelength of 514 and 532 nm with an optimally selected power (6 mW per spot with a diameter of 2 mm) allows you to keep red blood cells in a living state. HR analysis of isolated GB and erythrocyte shadow with GB ms in the presence of nanostructured silver substrates showed that the observed HRG spectra of red blood cells correspond to vibrations of hemoporphyrin bonds in GB ms (Fig. 1, b). So, the SQR spectra of living red blood cells (Fig. 1, a, spectra 4-7) correspond to the amplified Raman signal GB ms . In the SEC spectra of erythrocytes on nanostructured coatings with ring structures (Fig. 1a, spectra 4 and 5), the most intense peak is observed at 1370–1375 cm –1 , as well as two overlapping peaks in the regions of 1560–1588 and 1620–1630 cm -1 arising due to the enhancement of the characteristic Raman peaks of hemoporphyrin GB located at 1550, 1564, 1588 cm -1 and 1622, 1640 cm -1 , respectively.

Таким образом, экспериментальные данные подтверждают, что заявленный способ позволяет анализировать мембраносвязанный гемоглобин в живых эритроцитах с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеивания.Thus, the experimental data confirm that the claimed method allows you to analyze membrane-bound hemoglobin in living red blood cells using giant Raman spectroscopy.

Claims (4)

1. Способ анализа мембраносвязанного гемоглобина в эритроцитах с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), характеризующийся тем, что для исследования используют наноструктурированные покрытия в виде кольцевых наноструктур серебра, имеющих иерархическую структуру, при этом ободки серебряных колец состоят из сообщающихся друг с другом пористых агрегатов серебра микронного размера, на поверхности которых расположены и внедрены в матрицу округлые наночастицы серебра размером 2-100 нм.1. The method of analysis of membrane-bound hemoglobin in red blood cells using giant Raman spectroscopy (GCR), characterized in that the study uses nanostructured coatings in the form of ring silver nanostructures having a hierarchical structure, while the rims of the silver rings consist of porous aggregates communicating with each other micron-sized silver, on the surface of which rounded silver nanoparticles 2-100 nm in size are located and embedded in the matrix. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наноструктурированные покрытия с контролируемой морфологией не вызывают гемолиза эритроцитов и позволяют осуществлять их диагностику методом ГКР.2. The method according to claim 1, characterized in that the nanostructured coatings with controlled morphology do not cause erythrocyte hemolysis and allow them to be diagnosed by SEC. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что время иммобилизации клеток на наноструктурированных покрытиях составляет от 5 до 40 минут.3. The method according to claim 1, characterized in that the time of immobilization of cells on nanostructured coatings is from 5 to 40 minutes. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что ГКР-спектры получают с использованием зеленых лазеров с длиной волны 514 или 532 нм. 4. The method according to claim 1, characterized in that the SEC spectra are obtained using green lasers with a wavelength of 514 or 532 nm.
RU2013123642/15A 2013-05-23 2013-05-23 Method for analysing membrane-bound red cell haemoglobin by giant combined diffusion spectroscopy on nanostructured coatings RU2546518C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013123642/15A RU2546518C2 (en) 2013-05-23 2013-05-23 Method for analysing membrane-bound red cell haemoglobin by giant combined diffusion spectroscopy on nanostructured coatings

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013123642/15A RU2546518C2 (en) 2013-05-23 2013-05-23 Method for analysing membrane-bound red cell haemoglobin by giant combined diffusion spectroscopy on nanostructured coatings

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013123642A RU2013123642A (en) 2014-12-10
RU2546518C2 true RU2546518C2 (en) 2015-04-10

Family

ID=53296703

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013123642/15A RU2546518C2 (en) 2013-05-23 2013-05-23 Method for analysing membrane-bound red cell haemoglobin by giant combined diffusion spectroscopy on nanostructured coatings

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2546518C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2659987C2 (en) * 2016-12-07 2018-07-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Planar solidphase optical sensor for determination of protein compounds by the method of spectroscopy of giant raman scattering and its application for protein compounds detection

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011078794A1 (en) * 2009-12-22 2011-06-30 Agency For Science, Technology And Research Sers-based analyte detection
WO2012092295A2 (en) * 2010-12-30 2012-07-05 The University Of Utah Research Foundation Optical diagnosis of abnormal cells

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011078794A1 (en) * 2009-12-22 2011-06-30 Agency For Science, Technology And Research Sers-based analyte detection
WO2012092295A2 (en) * 2010-12-30 2012-07-05 The University Of Utah Research Foundation Optical diagnosis of abnormal cells

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
СЕМЕНОВА А.А. Наноструктурированные материалы на основе серебра для биомедицинской диагностики методом гигантского комбинационного рассеяния.// Автореф. дисс. канд. хим. наук, , Москва, 2012,с. 4, строки7-10,с.5 строки3-9, с.17 1 абзац, с.19 строки 10-18,с.20 строки 1-4, рис.11, 13. Найдено из Интернета [он-лайн] на сайте 24.03.2014 www.nanometer.ru/2012/10/21/avtoreferat../PROP../semenova.pdf‎ LIU T.Y. et al. Functionalized arrays of Raman-enhancing nanoparticles for capture and culture-free analysis of bacteria in human blood.//Nat Commun. 2011 Nov 15;2:538. doi:10.1038/ncomms1546. Найдено из Интернета [он-лайн] на сайте 24.03.2014 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22086338 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2659987C2 (en) * 2016-12-07 2018-07-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Planar solidphase optical sensor for determination of protein compounds by the method of spectroscopy of giant raman scattering and its application for protein compounds detection

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013123642A (en) 2014-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bruzas et al. Advances in surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) substrates for lipid and protein characterization: sensing and beyond
Shen et al. Sensitive detection of single-cell secreted H2O2 by integrating a microfluidic droplet sensor and Au nanoclusters
Mulvaney et al. Glass-coated, analyte-tagged nanoparticles: a new tagging system based on detection with surface-enhanced Raman scattering
Bantz et al. Recent progress in SERS biosensing
Xu et al. Fluorescent and photoacoustic bifunctional probe for the detection of ascorbic acid in biological fluids, living cells and in vivo
Zhang et al. Vibrational spectroscopic detection of a single virus by mid-infrared photothermal microscopy
Potara et al. Chitosan-coated triangular silver nanoparticles as a novel class of biocompatible, highly sensitive plasmonic platforms for intracellular SERS sensing and imaging
CN109342391B (en) Tyrosinase activity detection method based on recyclable SERS sensor
Liu et al. A simple method for preparation of Ag nanofilm used as active, stable, and biocompatible SERS substrate by using electrostatic self-assembly
Kaur et al. Recent advances in point-of-care diagnostics for oral cancer
Mehta et al. Dark‐field hyperspectral imaging for label free detection of nano‐bio‐materials
US20120241673A1 (en) Tunable Fluorescent Gold Nanocluster
CN102175664A (en) Method for detecting surface enhanced Raman spectra of blood RNA
EP3350117B1 (en) End-cap suitable for optical fiber devices and nanoplasmonic sensors
Kamińska et al. Gold-capped silicon for ultrasensitive SERS-biosensing: Towards human biofluids analysis
EP3811052B1 (en) Single particle automated raman trapping analysis
Donati et al. Colorimetric nanoplasmonics to spot hyperglycemia from saliva
Mussi et al. Silver-coated silicon nanowire platform discriminates genomic DNA from normal and malignant human epithelial cells using label-free Raman spectroscopy
RU2546518C2 (en) Method for analysing membrane-bound red cell haemoglobin by giant combined diffusion spectroscopy on nanostructured coatings
KR101692052B1 (en) Methods for Detecting Circulating Tumor Cells and Stem-like Circulating Tumor Cells Using Surface-Enhanced Raman Scattering and Systems Using Thereof
Xie et al. Early-stage oral cancer diagnosis by artificial intelligence-based SERS using Ag NWs@ ZIF core–shell nanochains
US20180143140A1 (en) Patch clamp technique with complementary raman spectroscopy
Yuan et al. Plasmon-enhanced fluorescence imaging with silicon-based silver chips for protein and nucleic acid assay
Kohl et al. Biocompatible micro-sized cell culture chamber for the detection of nanoparticle-induced IL8 promoter activity on a small cell population
US12005448B2 (en) Systems and methods of using anisotropic nanostructures in microfluidic devices for binding and optional release of molecules and cells

Legal Events

Date Code Title Description
QA4A Patent open for licensing

Effective date: 20200317