RU2659987C2 - Планарный твердофазный оптический сенсор для определения белковых соединений методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния и его применение для детектирования белковых соединений - Google Patents
Планарный твердофазный оптический сенсор для определения белковых соединений методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния и его применение для детектирования белковых соединений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2659987C2 RU2659987C2 RU2016148003A RU2016148003A RU2659987C2 RU 2659987 C2 RU2659987 C2 RU 2659987C2 RU 2016148003 A RU2016148003 A RU 2016148003A RU 2016148003 A RU2016148003 A RU 2016148003A RU 2659987 C2 RU2659987 C2 RU 2659987C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polyelectrolyte
- protein compounds
- protein
- sensor
- compounds
- Prior art date
Links
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title claims abstract description 80
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 title claims abstract description 79
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 title claims abstract description 79
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 title claims description 17
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 title abstract description 8
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 title description 2
- 229920000867 polyelectrolyte Polymers 0.000 claims abstract description 61
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000002103 nanocoating Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000004416 surface enhanced Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 16
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 9
- 229920001661 Chitosan Polymers 0.000 claims description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 7
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 6
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 5
- 229920000083 poly(allylamine) Polymers 0.000 claims description 5
- 235000010413 sodium alginate Nutrition 0.000 claims description 5
- 159000000000 sodium salts Chemical class 0.000 claims description 5
- 150000002689 maleic acids Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 4
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 3
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920001495 poly(sodium acrylate) polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000172 poly(styrenesulfonic acid) Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 claims description 3
- 229940005642 polystyrene sulfonic acid Drugs 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 claims description 2
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 claims description 2
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 claims description 2
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 claims description 2
- 230000029087 digestion Effects 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 49
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 35
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 28
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 22
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 22
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 15
- 102000018832 Cytochromes Human genes 0.000 description 11
- 108010052832 Cytochromes Proteins 0.000 description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 9
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 description 8
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 description 8
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 7
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 6
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 6
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 238000000479 surface-enhanced Raman spectrum Methods 0.000 description 6
- 230000000513 bioprotective effect Effects 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 description 5
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 5
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 5
- 229920000447 polyanionic polymer Polymers 0.000 description 5
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 5
- 102100030856 Myoglobin Human genes 0.000 description 4
- 108010062374 Myoglobin Proteins 0.000 description 4
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 4
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 4
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 4
- 238000004094 preconcentration Methods 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 108010088751 Albumins Proteins 0.000 description 3
- 102000009027 Albumins Human genes 0.000 description 3
- 102000016938 Catalase Human genes 0.000 description 3
- 108010053835 Catalase Proteins 0.000 description 3
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229940072056 alginate Drugs 0.000 description 3
- 235000010443 alginic acid Nutrition 0.000 description 3
- 229920000615 alginic acid Polymers 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Natural products N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PLKATZNSTYDYJW-UHFFFAOYSA-N azane silver Chemical compound N.[Ag] PLKATZNSTYDYJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 3
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N (+)-Biotin Chemical compound N1C(=O)N[C@@H]2[C@H](CCCCC(=O)O)SC[C@@H]21 YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N 0.000 description 2
- IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 1-methyl-2,4-dioxo-1,3-diazinane-5-carboximidamide Chemical compound CN1CC(C(N)=N)C(=O)NC1=O IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 2
- -1 amino, thio Chemical group 0.000 description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 2
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 2
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 description 2
- 210000003296 saliva Anatomy 0.000 description 2
- SQGYOTSLMSWVJD-UHFFFAOYSA-N silver(1+) nitrate Chemical compound [Ag+].[O-]N(=O)=O SQGYOTSLMSWVJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 description 2
- 229940005550 sodium alginate Drugs 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 210000002700 urine Anatomy 0.000 description 2
- MAGFQRLKWCCTQJ-UHFFFAOYSA-N 4-ethenylbenzenesulfonic acid Chemical compound OS(=O)(=O)C1=CC=C(C=C)C=C1 MAGFQRLKWCCTQJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101710134784 Agnoprotein Proteins 0.000 description 1
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108091003079 Bovine Serum Albumin Proteins 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010018910 Haemolysis Diseases 0.000 description 1
- 206010020751 Hypersensitivity Diseases 0.000 description 1
- OFOBLEOULBTSOW-UHFFFAOYSA-N Propanedioic acid Natural products OC(=O)CC(O)=O OFOBLEOULBTSOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010090804 Streptavidin Proteins 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000908 ammonium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 238000012443 analytical study Methods 0.000 description 1
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000009830 antibody antigen interaction Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 229960002685 biotin Drugs 0.000 description 1
- 235000020958 biotin Nutrition 0.000 description 1
- 239000011616 biotin Substances 0.000 description 1
- 229940098773 bovine serum albumin Drugs 0.000 description 1
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000007444 cell Immobilization Methods 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 230000002490 cerebral effect Effects 0.000 description 1
- 210000001175 cerebrospinal fluid Anatomy 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000010908 decantation Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000013399 early diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000008588 hemolysis Effects 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 238000002032 lab-on-a-chip Methods 0.000 description 1
- VZCYOOQTPOCHFL-UPHRSURJSA-N maleic acid Chemical compound OC(=O)\C=C/C(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-UPHRSURJSA-N 0.000 description 1
- 239000011976 maleic acid Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010070 molecular adhesion Effects 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- NPKXLCMBIGGTTQ-UHFFFAOYSA-N n-[bis(dimethylamino)phosphinothioyl]-n-methylmethanamine Chemical compound CN(C)P(=S)(N(C)C)N(C)C NPKXLCMBIGGTTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 230000003533 narcotic effect Effects 0.000 description 1
- 239000006199 nebulizer Substances 0.000 description 1
- 238000000399 optical microscopy Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000008832 photodamage Effects 0.000 description 1
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910001961 silver nitrate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001923 silver oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- NDVLTYZPCACLMA-UHFFFAOYSA-N silver oxide Substances [O-2].[Ag+].[Ag+] NDVLTYZPCACLMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 125000000446 sulfanediyl group Chemical group *S* 0.000 description 1
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 1
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 239000012085 test solution Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- VZCYOOQTPOCHFL-UHFFFAOYSA-N trans-butenedioic acid Natural products OC(=O)C=CC(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Группа изобретений относится к области технологий материалов, материаловедческих и аналитических исследований. Планарный оптический ГКР-сенсор для детектирования белковых соединений включает последовательно расположенные на подложке на основе диэлектрического химически инертного материала наноструктурированное покрытие на основе наночастиц благородных металлов и прозрачный микропористый слой полиэлектролита, характеризующийся способностью/возможностью образовывать полиэлектролитный комплекс с белковыми соединениями, при этом наночастицы благородных металлов имеют размеры 20-90 нм, наноструктурированное покрытие из них выполнено толщиной 1-10 мкм, а слой полиэлектролита выполнен толщиной 50-100 мкм. Технический результат – детектирование анализируемых белковых соединений с низкими пределами обнаружения методом спектроскопии ГКР. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области технологий материалов, материаловедческих и аналитических исследований, и может быть использовано в медицинской диагностике и биохимических исследованиях для качественного и количественного обнаружения белковых соединений в биологических жидкостях с высокими чувствительностью, селективностью и экспрессностью.
Уровень техники
Из уровня техники известны решения, направленные на создание оптических планарных сенсорных устройств на основе наночастиц благородных металлов. Данные сенсорные устройства позволяют разрабатывать новые подходы к высокочувствительному, селективному и экспрессному определению набора химических соединений в различных диагностических целях. Создаваемые сенсоры представляют собой многослойные структуры на специальном субстрате-подложке, способные модулировать сигнал (усиливать интенсивность, изменять частоту и т.д.) - однозначно необходимы для перехода на современные технологии «lab-on-chip» («лаборатории на чипе»), что позволяет совершенствовать современные аналитические методы, применяемые как в, так и вне лаборатории. Известные решения находят применение в широком круге таких приложений, как диагностика здоровья человека, мониторинг экологического состояния окружающей среды, детектирование наркотических и взрывоопасных веществ. К особому классу оптических сенсоров относятся устройства, действие которых основано на принципах спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР, от англ. SERS - Surface Enhanced Raman Scattering). Известно, что наночастицы благородных металлов и нанокомпозиционные материалы на их основе способны усиливать сигнал комбинационного рассеяния в 106-1014 раз за счет их способности генерировать локальное электромагнитное поле, взаимодействующее с колебательными состояниями анализируемых органических молекул. Явление ГКР открывает новые возможности в создании сверхчувствительных диагностических методов анализа и понижении предела обнаружения по сравнению с известными методами. На сегодняшний день для ранней диагностики заболеваний и своевременного лечения требуется определение белковых соединений с высокой чувствительностью и точностью, поскольку даже небольшое изменение концентрации белков или активности ферментов могут быть вызваны началом некоторых серьезных заболеваний. Однако современные методы не в полной мере удовлетворяют требованиям к чувствительности, экспрессности, доступности используемого оборудования и стоимости анализа, что приводит к необходимости пересмотра существующих и разработке новых, более чувствительных, селективных и менее ресурсозатратных экспресс-способов определения белковых соединений в таких биологических жидкостях, как кровь, моча, спинномозговая жидкость, слюна и др. Сложность анализа белковых соединений методом спектроскопии ГКР заключается в низкой воспроизводимости коэффициентов усиления сигнала, вызванной различной ориентацией макромолекул белка относительно металлической поверхности, а также возможным изменением конформации глобулы. В связи с этим необходим поиск приемов для лучшего удерживания макромолекулы белка и, как следствие, улучшения метрологических характеристик определения с использованием сенсора.
Из уровня техники известно решение, представленное в заявке RU 2014144947 «Ультрачувствителъный сенсор», описывающей сенсорное устройство - подложку с множеством столбиков, некоторые из которых содержат диск наверху и металлическую точечную структуру на боковой стенке столбика. По меньшей мере, часть указанной металлической структуры покрыта слоем молекулярной адгезии толщиной 0.5-50 нм, рядом с внешней поверхностью которого наносенсор усиливает световой сигнал. В зависимости от выбора молекулярного адгезионного слоя сенсор способен связывать амины, тиосоединения или гидроксильные органические вещества. В качестве адгезионного слоя были предложены алкантиол, тиополи(этилен)гликоль, стрептавидин/биотин. Разработанный сенсор позволяет удерживать различные органические соединения, обладающие такими функциональными группами как амино-, тио- или гидроксильная группа, в том числе в качестве аналитов могут выступать белки.
Однако сенсор обладает достаточно сложной конструкцией, что отрицательно влияет на воспроизводимость методики определения целевых аналитов и сужает круг определяемых соединений. Анализ с использованием известного сенсора требует больших трудозатрат. Производство данного сенсора сложно осуществлять в больших масштабах. Кроме того, применение для удерживания аналитов специфических взаимодействий «антитело - антиген» накладывает строгие ограничения на условия хранения и транспортировки известного устройства, а также резко повышает стоимость анализа.
Из уровня техники известно решение, представленное в патенте RU 2356033 «Способ измерения поверхностного плазменного резонанса (варианты) и соединение благородного металла, используемое для данного способа», описывающем способ анализа и соединение благородного металла, позволяющее установить состояние молекулы белка: фосфорилированное или дефосфорилированное. Согласно изобретению способ измерения поверхностного плазмонного резонанса включает помещение соединения благородного металла на нижнюю грань призмы, облучение призмы светом для обнаружения отраженного света. Соединение благородного металла содержит заместители на стороне, противоположной стороне, контактирующей с призмой, при этом исследуемый образец добавляют к стороне, имеющей заместители в соединении благородного металла. Изобретение позволяет обнаружить существование фосфорилированного пептида (белка) и, следовательно, определить, является ли пептид в биологических материалах фосфорилированным или нет. В качестве «распознающих» заместителей на поверхности используется сложное металлоорганическое соединение.
Однако известное решение не обеспечивает количественного определения белковых соединений. Кроме того, описанный способ позволяет адсорбировать только белок в фосфорилированном состоянии, а, следовательно, не решает проблему удерживания белковых соединений и их анализа не зависимо от их состояния. В качестве захватывающего соединения предложено труднодоступное металлоорганическое соединение, что усложняет методику получения сенсора из-за возможных синтетических сложностей и стоимости препарата, также ухудшает воспроизводимость анализа.
Из уровня техники известно решение, представленное в заявке US 20110064886 «Способ улучшения оптического датчика», в котором в целях обеспечения необходимой адгезии аналита к металлической поверхности оптического датчика предложен специальный способ обработки сенсорного устройства. Методика предполагает несколько шагов: обработку поверхности сенсора кислотой; формирование тонкого металлического слоя на поверхности и модификацию металлического слоя плазмой, что повышает его адгезионную способность. В качестве аналитов были рассмотрены биомолекулы, в том числе белковой природы - бычий сывороточный альбумин.
Однако вышеописанный метод обладает рядом недостатков: например, обработка поверхности плазмой повышает стоимость анализа из-за дороговизны как оборудования, так и проведения самой обработки. Кроме того, адгезионные свойства металлической поверхности с учетом специальной обработки оказываются ниже, чем при использовании специального полимерного слоя.
Наиболее близким к заявляемому является решение, представленное в заявке на изобретение RU 201312364 «Способ анализа мембраносвязанного гемоглобина в эритроцитах с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния на наноструктурированных покрытиях», раскрывающее способ анализа мембраносвязанного гемоглобина в эритроцитах с помощью спектроскопии ГКР на наноструктурированных покрытиях, характеризующийся тем, что для исследования эритроцитов используются наноструктурированные покрытия в виде кольцевых наноструктур серебра имеющих иерархическую структуру. 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. Преимущество данного изобретения заключается в его практической применимости в области медицинской диагностики и биоаналитических исследований: для обнаружения биологических молекул и маркеров в биологических жидкостях (крови, слюне и др.), исследований строения биомолекул, криминалистических целей. Использование наноструктурированных подложек с контролируемой морфологией не вызывает гемолиз эритроцитов и позволяет осуществлять их неинвазивную 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.
Недостатком известного технического решения является невозможность предварительного концентрирования и связывания анализируемого соединения белковой природы на поверхности наноструктурированного металлического сенсорного устройства, что не позволяет повышать чувствительность анализа и понижать пределы обнаружения аналитов. Также в связи с отсутствием полимерного слоя невозможно расширять круг определяемых белковых соединений за счет их электростатического связывания в полиэлектролитные комплексы с поликатионами или полианионами. Более того, известный способ характеризуется низкой достоверностью получаемых результатов в случае нанесения пробы, содержащей белковые соединения вне клеточных структур, на металлическое сенсибилизированное покрытие из-за частичного изменения конформации структуры и деградации макромолекулы. Непредсказуемость распределения анализируемых соединений по поверхности затрудняет регистрацию воспроизводимых по интенсивности сигналов в различных областях сенсорного устройства.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является получение планарных оптических сенсоров с биопротектирующим полимерным слоем, позволяющих использовать метод спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) с высоким коэффициентом чувствительности и низким пределом обнаружения (ПО), высокой селективностью, широким диапазоном определяемых концентраций (ДОК), высокими воспроизводимостью и прецизионностью для качественного и количественного определения белковых соединений.
Техническим результатом изобретения является способность предконцентрировать и связывать анализируемое вещество, что позволяет детектировать анализирумые белковые соединения с низкими пределами обнаружения методом спектроскопии ГКР, за счет образования полиэлектролитных комплексов молекул белков со слоем полиэлектролита (полимера) на поверхности сенсорного устройства. Заявляемый оптический сенсор позволяет регистрировать усиленный сигнал комбинационного рассеяния за счет сохранения конформационной структуры молекул белков благодаря наличию полимерного биопротектирующего покрытия, предотвращающего токсическое действие наночастиц серебра. При этом полимерное покрытие, находящееся на наноструктурированной поверхности серебра, имеет толщину, при котором возможно резонансное взаимодействие наночастиц серебра и белковых соединений. Более того, представленный оптический сенсор удобен для работы с портативным, коммерчески доступным, серийным оборудованием вне лабораторных условий. Таким образом, с использованием заявляемого оптического планарного сенсора возможно высокочувствительное и селективное качественное и количественное определение присутствующих в образце белковых соединений (фиг. 5). Поставленная задача решается планарным оптическим ГКР (гигантское комбинационное рассеяние) - сенсором для детектирования белковых соединений, характеризующимся тем, что он включает в себя: последовательно расположенные подложку на основе диэлектрического химически инертного материала, наноструктурированное покрытие на основе наночастиц благородных металлов, и расположенный на наноструктурированном покрытии прозрачный микропористый слой полиэлектролита, образующий полиэлектролитный комплекс с белковыми соединениями, при этом наночастицы благородных металлов имеют размеры 20-90 нм, наноструктурированное покрытие из них составляет слой толщиной 1-10 мкм и слой полиэлектролита толщиной 50-100 мкм. При этом в качестве диэлектрического химически инертного материала использован материал, выбранный из ряда: оксид алюминия, оксид магния, диоксид кремния, диоксид циркония, силикатное стекло.
При этом в качестве благородного металла использовано серебро или золото. При этом качестве полиэлектролита использованы прозрачные в области длин волн 300-800 нм соединения: полиакриловая кислота, натриевая соль альгиновой кислоты, хитозан, натриевая соль сополимера 4-стиролсулфоновой и малеиновых кислот, полистиролсульфокислота, альбумин, полиаллиламин или полиакриламид.
При этом полиэлектролитный слой выполнен из расчета 10-20 мкл подсушенного раствора с концентрацией 0.1-2 масс. % нанесенного на 1 см2 нанострукурированной поверхности благородного металла.
Поставленная задача решается способом анализа белковых соединений в пробе, характеризующимся тем, что на заявляемый планарный твердофазный оптический сенсор наносят пробу с исследуемым соединением и детектирование полученного полэлектролитного комплекса белкового соединения в полиэлектролитном слое, методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния и о качественном и количественном содержании белковых соединений судят по положению и интенсивности полос на регистрируемых спектрах.
При этом для качественного и количественного анализа используют жидкие пробы объемом 15-30 мкл путем их накалывания на поверхность сенсора.
При этом при проведении анализа используют лазерное излучение с длиной волны 514, или 532, или 633, или 785 нм, или 1064 нм и мощностью, не превышающей 10% от номинальной величины, при облучении сенсора с нанесенной пробой не более 10 секунд.
Также поставленная задача решается способом анализа белковых соединений, включающим нанесение на предлагаемый планарный твердофазный оптический сенсор жидкой пробы с исследуемым соединением с образованием полиэлектролитного межмолекулярного комплекса полимерного слоя с белковым соединением, и о качественном и количественном содержании белковых соединений судят по результатам анализа, проведенного методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния. При этом на поверхность сенсора предпочтительно накапывать жидкие пробы объемом 10-50 мкл для качественного и количественного определения анализируемых веществ с концентрациями 10-9-10-2 М.
Предпочтительно при проведении анализа использовать лазерное излучение с длиной волны 514 или 532, или 633, или 785 нм, или 1064 нм и мощностью, не превышающей 10% от номинальной величины излучения, при облучении сенсора с нанесенной пробой не более 10 секунд.
Заявляемое сенсорное устройство применимо для определения белковых соединений на фоне большого количества посторонних мешающих компонентов анализируемых реальных биологических жидкостей: крови, мочи, церебральной жидкости и др. Данный результат достигается за счет дополнительного селективного связывания белковых макромолекул в полиэлектролитный комплекс с полимером на поверхности сенсора. Кроме того, за счет равномерного распределения макромолекул белкового соединения по поверхности полимерного слоя регистрируется воспроизводимый на всей сенсорной поверхности усиленный сигнал ГКР. Усиление сигнала комбинационного рассеяния в 103-1014 раз достигается за счет дополнительного предконцентрирования и проникновения белков через полимерный слой к активному металлическому элементу сенсорного устройства благодаря полиэлектролитным взаимодействиям. Еще одним преимуществом предлагаемого изобретения является сохранение конформационной структуры белковых соединений и предотвращение деградации их структуры на металлической поверхности активного элемента сенсора, что подтверждается искажением характеристических сигналов на спектрах ГКР, полученных от образцов, нанесенных на металлическую поверхность без полимерного слоя, и присутствием таких сигналов на спектрах ГКР, полученных от образцов, нанесенных на металлическую поверхность с дополнительным полимерным слоем. Предлагаемый оптический сенсор с биопротектирующим полимерным слоем имеет незначительный фоновый сигнал на спектрах гигантского комбинационного рассеяния, что позволяет количественно определять белковые соединения на уровне 10-5 M, предел обнаружения белковых соединений составляет порядка 10-9 М.
Заявляемая группа изобретений позволяет эффективно предконцентрировать и селективно связывать анализируемое вещество, контролируемо подбирать полимерное покрытие для образования полиэлектролитного комплекса, обнаруживать аналит с коэффициентом усиления до 1014, в том числе за счет сохранения конформационной структуры определяемого белкового соединения. При этом также стоит отметить потенциальное устранение мешающего влияния посторонних компонентов различных биологических жидкостей.
Таким образом, использование предлагаемого оптического сенсора с полиэлектролитным слоем позволяет детектировать сигнал ГКР с высоким коэффициентом чувствительности, высокой селективностью, широким диапазоном определяемых концентраций, высокой воспроизводимостью и прецизионностью.
В настоящем изобретении приняты следующие обозначения и термины:
ГКР - гигантское комбинационное рассеяние,
Спектр ГКР - спектр комбинационного рассеяния с сигналами, усиленными по интенсивности в 103-1014 раз,
ДОК - диапазон определяемых концентраций,
РЭМ - растровая электронная микроскопия,
ПАК1 - полиакриловая кислота с м.м. 18 кДа,
ПАК2 - полиакриловая кислота с м.м. 450 кДа,
ПО - предел обнаружения,
ПССК - поли(4-стирол)сульфоновая кислота.
Химические символы / сокращения имеют свои обычные значения: °С (градус (градусы) Цельсия), нм (нанометр (нанометры)), мкм (микрометр (микрометры)), см (сантиметр (сантиметр)), мин (минута (минуты)), с (секунда (секунды)), мкл (микролитр (микролитры)), мкг (микрограмм (микрограммы)), М (моль (моли) в литре), л (литр (литры)), мл (миллилитр (миллилитры)), мкл (микролитр (микролитры)), г(грамм (граммы)), мг (миллиграмм (миллиграммы)), моль (моли), ммоль (миллимоль (миллимоли)), масс. % (массовый процент (массовые проценты)), м.м. (молекулярная масса).
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема оптического планарного ГКР - сенсора и детектирования белковых соединений с его помощью. Позициями на фигурах обозначены: 1 - подложку из химически инертного диэлектрического материала, 2 - нанесенный на нее слой наночастиц благородного металла, 3 - нанесенный на наноструктурированное покрытие слой полиэлектролита, 4 - образование электростатического (полиэлектролитного) комплекса детектируемого белкового соединения в слое полиэлектролита.
На фиг. 2 представлены оптические изображения образцов (а, 6, в), полученных методом термического разложения капель аэрозоля аммиачного комплекса серебра в мягких условиях. Позициями на фигурах обозначены различные моменты времени: а - 1.5 мин, 6-5 мин, в - 20 мин; РЭМ-изображения образцов (г, д, е), полученных методом термического разложения капель аэрозоля аммиачного комплекса серебра в мягких условиях, позициями на фигурах обозначены различные моменты времени: г - 1.5 мин, д - 5 мин, е - 20 мин.
На фиг. 3 представлена оптическая фотография поперечного среза оптического планарного ГКР-сенсора. Позициями на фигурах обозначены: 7 - поверхность слоя полиэлектролита, 6 - наноструктурированный слой серебра, 5 - поверхность стеклянной подложки.
На фиг. 4 представлены спектры ГКР фонового сигнала оптических планарных ГКР-сенсоров с микропористыми слоями из различных полиэлектролитов. Позициями на фигурах обозначены: 8 - без слоя полиэлектролита, и со слоем полиэлектролита: 9 - хитозана, 10 - альгината, 11 - поли(4-стирол)сульфоновой кислоты (ПССК), 12 - полиакриловой кислоты с м.м. 18 кДа (ПАК1), 13 - полиакриловой кислоты с м.м. 450 кДа (ПАК2), 14 - альбумин, с использованием 10% от номинальной величины лазерного излучения (облучении сенсора в течение 10 с) с длинами волн: а - 633 нм, 6-514 нм.
На фиг. 5 представлены спектры ГКР 5×10-6 М раствора цитохрома С на поверхности оптических планарных ГКР-сенсоров. Позициями на фигурах обозначены: а - без слоя полиэлектролита, б - со слоем ПАК2 (полученного из 0.25% раствора ПАК2), для растворов с различной ионной силой: 15 - 0, 16 - 0.025 М, 17 - 0.05 М, 18 - 0.1 М, 19 - 0.5 М.
На фиг. 6 представлены спектры ГКР 1×10-9 М раствора цитохрома С на поверхности оптических планарных ГКР-сенсоров. Позициями на фигурах обозначены слои различных полиэлектролитов: 13 - ПАК2, 9 - хитозан, 10 - альгинат (полученные из 0.1% раствора поэлектролитов), 8 - без слоя полиэлектролита.
На фиг. 7 представлены спектры ГКР 5×10-6 М раствора гемоглобина на поверхности оптических планарных ГКР-сенсоров. Позициями на фигурах обозначены используемые полиэлектролиты: 8 - без полиэлектролитного слоя, 13 - ПАК2, 10 - альгинат (полученные из 2.0% раствора поэлектролитов), 9 - хитозан.
Осуществление изобретения
Представленные ниже примеры конкретного осуществления изобретения приведены для предоставления специалистам в данной области техники полного описания проведения и применения анализа по изобретению, но не ограничивают предполагаемый авторами изобретения объем изобретения.
Все приведенные ниже реагенты являются коммерчески доступными. Все процедуры, если не оговорено особо, осуществляли при комнатной температуре или температуре окружающей среды, то есть в диапазоне от 18 до 25°С; в ходе всех экспериментов для приготовления водных растворов и промывки суспензий использовали деионизированную воду высокой чистоты, очищенную с использованием установки «Milli-Q», «Milliporе»; спектры ГКР зарегистрированы на КР-спектрометре «Renishaw inVia Reflex» с фокусным расстоянием 250 мм, размером пятна лазера 1 - 300 мкм, при этом все спектры ГКР сняты с использованием 20 × -ного объектива и с временем экстинкции 10 с, юстировку прибора проводили с использованием монокристаллических пластин кремния в качестве стандарта; оптические фотографии снимались на конфокальном микроскопе «Leica DMLM» с разрешением до 2.5 мкм; разделение неоднородных систем проводилось с помощью центрифуги «Centrifuge 5804», «Eppendorf»; для фильтрования использовали насосный фильтр «MillexLCR» («Millipore», с порами 450 мкм); взвешивание препаратов проводили с точностью ± 0.02 мг на аналитических весах «Discovery», «OHAUS»; точные объемы жидкостей отбирали с использованием автоматических дозаторов «Eppendorf» с диапазонами объемов: 2 - 20, 10 - 100, 20 - 200, 100 - 1000 и 500 - 5000 мкл; гомогенизацию неоднородных систем ультразвуковым облучением проводили в УЗ-ванне «Elmasonic Р», «Еlmа», механическую гомогенизацию неоднородных систем проводили с использованием или мини-ротатора «Bio RS-24», «BioSan», или планетарной мельницы «PULVERISETTE», «FRITSCH», или магнитной мешалки «RCT basic», «IKA» с возможностью подогрева.
Заявляемый сенсор состоит из трех ключевых компонентов: 1) подложки на основе диэлектрического химически инертного материала до образования поверхности с шероховатостью 1-10 мкм; 2) наноструктурированного покрытия на основе наночастиц благородного металла; 3) микропористого слоя полиэлектролита до толщины 50-100 мкм, способного удерживать анализируемое вещество и электростатически связываться с ним путем формирования полиэлектролитного комплекса (фиг. 1).
Пример 1. Планарный оптический ГКР-сенсор с биопротектирующим полиэлектролитным слоем для анализа белковых соединений.
Планарный оптический ГКР-сенсор представляет собой нанесенное на стеклянную подложку наноструктурированного покрытия на основе наночастиц серебра до толщины не более 10 мкм, что осуществляют следующим образом: 30 мл 0.1 М водного раствора гидроксида натрия («Aldrich», NaOH) добавляют по каплям в 30 мл свежеприготовленный 0.02 М водный раствор нитрата серебра («Sigma Aldrich», AgNO3) до полного осаждения коричневого осадка - оксида серебра (I). Полученный осадок трижды тщательно промывают водой. Далее надосадочный раствор отделяют декантацией, к полученному осадку добавляют 30 мл воды, механически гомогенизируют посредством многократных интенсивных встряхиваний, дают осесть в течение 30 мин. Раствор над осадком сливают и полученный осадок растворяют в 3 мл 10% водного раствора аммиака (полученного из 30% водного раствора гидроксида аммония, «Aldrich»). Затем прозрачный раствор аммиачного комплекса серебра фильтруют через сменный мембранный фильтр «Millex-LCR» («Millipore», размер пор 450 нм). Далее производят осаждение аэрозоля диаммиаката оксида серебра (I), при температуре 200-300°С и с помощью ультразвукового нейбулайзера распыляют полученный раствор аммиачного комплекса оксида серебра (I) (размер капели 1-5 мкм) на разогретые до 200-270°С чистые и сухие стеклянные пластинки в течение 5-30 мин с последующим контролем толщин металлического слоя с помощью оптической микроскопии (фиг. 2). Влияние толщины покрытия на основе наночастиц серебра на получение сенсора приведены в табл. 1 и подтверждают, что заявляемые пределы 1-10 мкм являются необходимым условием изготовления ГКР-сенсора.
На следующей стадии проводят процедуру покрытия наноструктурированной поверхности слоем полиэлектролита. При выборе полиэлектролита руководствуются зарядом исследуемого белка: выбирают поликатион в случае, если белок находится в анионной форме; или полианион в случае, если белок в катионной форме. Следовательно, в качестве полиэлектролита, выбирается соединение с изоэлектрической точкой больше 7.0 для детектирования белковых соединений с изоэлектрической точкой меньше 7.0, и наоборот. В качестве полианионного соединения используют соединение из ряда: полиакриловая кислота, натриевая соль альгиновой кислоты, натриевая соль сополимера 4-стиролсулфоновой и малеиновых кислот, полистиролсульфокислота или полиакриламид; в качестве поликатионного соединения - альбумин, полиаллиламин или хитозан. В качестве подходящего полимера может рассматриваться любой из ряда прозрачных в области 300-800 нм. Взаимодействие поликатион-полианион с образованием поилектролитного комплекса приводит к возможности количественного высокоточного определения белковых соединений, а в случае взаимодействий типа поликатион-поликатион или полианион-полианион сигнал также будет наблюдаться, но определение будет возможно лишь на качественном уровне для белковых соединений, присутствующих в больших концентрациях порядка 10-3-10-2 М.
Нанесение 50-100 мкм слоя полиэлектролита на поверхность стеклянных пластин проводят следующим образом: на металлическую поверхность наноструктурированного покрытия площадью 4×4 мм2 наносят водный раствор полиэлектролита в количестве 10-20 мкл с концентрацией 0.1-2.0%. Высушивание проводят на воздухе не менее двух часов, после чего полученные структуры используют в качестве планарных оптических сенсоров (фиг. 3). При этом предложенный микропористый слой полиэлектролита на наноструктурированной металлической поверхности не имеет фоновых мешающих сигналов на спектрах ГКР (фиг. 4). Выбор в качестве подложки любой другой на основе диэлектрического химически инертного материала, в частности наиболее распространенных для этой цели материалов, таких как оксид алюминия, оксид магния, диоксид кремния, диоксид циркония, существенно не изменит эффект.
Способ анализа белковых соединений с помощью оптического сенсора, описанного в заявляемом изобретении включает нанесение на планарный оптический сенсор водной пробы или белкового соединения, растворенного в органическом растворителе (например, ацетонитриле, диметилформамиде, диметилсульфоксиде и др.), с исследуемым соединением, детектирование образующегося полиэлектролитного комплекса с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) с использованием стандартных лазеров, выбор которых должен соответствовать положению полос поглощения связей исследуемого белкового соединения, с последующей расшифровкой характеристических колебаний анализируемых соединений на спектрах ГКР.
Для детектирования анализируемых веществ с концентрациями 10-9-10-2 М используют жидкие пробы объемом 15-30 мкл путем их накалывания на поверхность сенсора. Для обеспечения высокой скорости анализа при большом отношении сигнал / шум и отсутствии появления ложной спектральной информации, мощность лазерного излучения не превышала 10% от номинальной величины при продолжительности набора спектров аналитов (белковых соединений) в составе межмолекулярного комплекса не более 10 с. Превышение данных параметров может привести к фотоповреждению образца.
Пример 2. Способ анализа цитохрома С (с изоэлектрической точкой 9.0), положительно заряженного в растворах с нейтральной кислотностью (рН 7.0), с концентрацией в интервале 10-9-10-5 М с использованием в качестве полимера полиакриловой кислоты для модификации металлической поверхности сенсора.
Для анализа цитохрома С, используют планарный оптический сенсор, содержащий в качестве полиэлектролита, способного удерживать анализируемое вещество и электростатически связываться с ним путем формирования полиэлектролитного комплекса, полиакриловую кислоту с молекулярной массой 450 кДа - полианион, поскольку цитохром С в нейтральной среде заряжен положительно (изоэлектрическая точка - 10.0). Рабочая площадь элемента сенсора составляет 4×4 мм2. Раствор, содержащий определяемое белковое соединение, объемом 30 мкл наносят путем накалывания на поверхность сенсора. Детектирование полученного комплекса методом спектроскопии ГКР проводят с использованием лазера с длиной волны 514 нм (фиг. 5). Мощность лазерного излучения составляет 10% от номинальной величины при продолжительности набора цитохрома С в составе межмолекулярного комплекса 10 с. В предлагаемом примере удается предконцентрировать и селективно связывать белковое соединение в слое полиэлектролита, а затем обнаруживать цитохром С с повышенным коэффициентом усиления за счет оптических явлений, поскольку молекула цитохрома С удерживается близко к поверхности металла. О количественном содержании цитохрома С судят по градуировочным зависимостям (табл. 2).
Градуировочный график строится в координатах концентрация белкового соединения - площадь характеристического пика. В диапазоне определяемых концентраций (ДОК) соблюдается линейная зависимость между площадью пика на спектрах и концентрацией белкового соединения. Прямолинейность графика сохраняется только в интервале ДОК, указанных в табл. 2. Нахождение значение концентраций белкового соединения в испытуемом растворе по градуировочным зависимостям ниже и выше ДОК возможно, но не рекомендуется из-за большой погрешности. В целях установления неизвестного содержания белкового соединения в растворе используют уравнение вида S=(а±Δа)×С+(b±Δb), в которое подставляется значение площади измеренного пика (S), и вычисляется концентрация определяемого соединения (С).
Таблица 2. Метрологические характеристики (с количеством параллельных измерений n=3 и доверительной вероятностью Р=0.95) количественного определения цитохрома С, гемоглобина, миоглобина и каталазы на серебряной наноструктурированной подложке и полимерной подложке методом спектроскопии ГКР по площадям характеристических сигналов 1580, 1373, 1456 и 1781 см-1, соответственно
Пример 3. Способ анализа цитохрома С (с изоэлектрической точкой 9.0), положительно заряженного в растворах с нейтральной кислотностью (рН 7.0), с концентрацией в интервале 10-9-10-5 М с использованием, в качестве полиэлектролита для микропористого слоя, альгината натрия на наноструктурированной металлической поверхности сенсора.
Анализ проводился аналогично примеру 2 с отличием в том, что в качестве полиэлектролита использовали альгинат натрия (фиг. 6).
Пример 4 . Способ анализа гемоглобина (с изоэлектрической точкой 6.8), отрицательно заряженного в растворах с нейтральной кислотностью (рН 7.0), с концентрацией в интервале 10-9-10-5 М с использованием, в качестве полиэлектролита для микропористого слоя, хитозана на наноструктурированной металлической поверхности сенсора.
Анализ проводился аналогично примеру 2 с отличием в том, что в качестве полиэлектролитного слоя использовали слой хитозана, а в качестве детектируемого белкового соединения исследовали гемоглобин (фиг. 7). О количественном содержании гемоглобина судят по градуировочным зависимостям (табл. 2) аналогично примеру 1.
Пример 5 . Способ анализа миоглобина (с изоэлектрической точкой 7.29), положительно заряженного в растворах с нейтральной кислотностью (рН 7.0), с концентрацией в интервале 10-9-10-5 М с использованием в качестве полиэлектролита натриевой соли сополимера 4-стиролсульфоновой и малеиновой кислот для модификации металлической поверхности сенсора.
Анализ проводился аналогично примеру 1 с отличием в том, что в качестве полиэлектролитного слоя использовали слой натриевой соли сополимера 4-стиролсульфоновой и малеиновой кислот, а в качестве детектируемого белкового соединения исследовали миоглобин. О количественном содержании миоглобина судят по градуировочным зависимостям (табл. 2) аналогично примеру 1.
Пример 6. Способ анализа каталаза (с изоэлектрической точкой 6.89), отрицательно заряженного в растворах с нейтральной кислотностью (рН 7.0), с концентрацией в интервале 10-9-10-5 М с использованием, в качестве полиэлектролита для микропористого слоя, полиаллиламина на наноструктурированной металлической поверхности сенсора.
Анализ проводился аналогично примеру 2 с отличием в том, что в качестве полиэлектролитного слоя использовали слой полиаллиламина, а в качестве детектируемого белкового соединения исследовали каталазу. О количественном содержании гемоглобина судят по градуировочным зависимостям (табл. 2) аналогично примеру 1.
Как видно из приведенных примеров, в то время как известные способы давали возможность невоспроизводимого определения лишь отдельных белковых соединений за достаточно продолжительное время анализа, составлявшее в ряде случаев до нескольких часов с использованием дорогостоящего и громоздкого оборудования, заявляемая нами группа изобретений позволяет предконцентрировать и селективно связывать анализируемое вещество, обнаруживать белковые соединения за счет оптических явлений. При этом также стоит отметить несущественный расход благородного металла за счет минимизации рабочей площади элемента сенсора до менее, чем 4×4 мм2, что приводит к уменьшению себестоимости сенсора.
Для детектирования белковых соединений, присутствующих в пробе на уровне концентраций 10-9-10-2 М, предпочтительно использовать жидкие пробы объемом 10-50 мкл путем их накалывания на поверхность сенсора для более эффективного предконцентрирования белковых соединений на рабочей поверхности оптического ГКР-сенсора.
Для обеспечения высокой эксперессности анализа при высоком отношении сигнал / шум и отсутствии появления ложной спектральной информации, мощность лазерного излучения не должна превышать 10% от номинальной величины при продолжительности набора спектров белковых соединений в составе полиэлектролитного комплекса не более 10 с. При этом для проведения анализа используют лазерное излучение с длиной волны 514, или 532, или 633, или 785 нм, или 1064 нм.
Для проведения анализа помимо стационарных КР-спектрометров возможно использование портативных приборов с вышеперечисленными длинами волн для регистрации спектров ГКР. Таким образом, предлагаемое техническое решение эффективно для использования в целях мобильного высокочувствительного и высокоточного входного контроля и идентификации белковых соединений, ускоренного контроля образцов биологических жидкостей, для окончательного контроля и диагностики как в лабораторных, так и в «полевых» условиях.
Анализ общеизвестных источников информации показал, что планарный оптический ГКР-сенсор на основе наночастиц благородных металлов с биопротектирующим микропористым слоем полиэлектролита, позволяющим предконцентрировать и связывать белковые соединения путем формирования полиэлектролитного комплекса, для детектирования и определения белковых соединений методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния, не известен.
Claims (8)
1. Планарный оптический ГКР-сенсор для детектирования белковых соединений, характеризующийся тем, что включает последовательно расположенные на подложке на основе диэлектрического химически инертного материала наноструктурированное покрытие на основе наночастиц благородных металлов и прозрачный микропористый слой полиэлектролита, характеризующийся способностью/возможностью образовывать полиэлектролитный комплекс с белковыми соединениями, при этом наночастицы благородных металлов имеют размеры 20-90 нм, наноструктурированное покрытие из них выполнено толщиной 1-10 мкм, а слой полиэлектролита выполнен толщиной 50-100 мкм.
2. Сенсор по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве диэлектрического химически инертного материала используют материал, выбранный из ряда: оксид алюминия, оксид магния, диоксид кремния, диоксид циркония, силикатное стекло.
3. Сенсор по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве благородного металла используют серебро или золото.
4. Сенсор по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве полиэлектролита используют прозрачные в области длин волн 300-800 нм соединения: полиакриловая кислота, натриевая соль альгиновой кислоты, хитозан, натриевая соль сополимера 4-стиролсульфоновой и малеиновой кислот, полистиролсульфокислота, полиаллиламин или полиакриламид
5. Сенсор по п. 4, характеризующийся тем, что полиэлектролитный слой выполнен из водного раствора соединений по п. 4 с концентрацией 0.1-2 мас.%, нанесенного в количестве 10-20 мкл на 1 см2 нанострукурированной поверхности благородного металла, с последующей сушкой.
6. Способ анализа белковых соединений в пробе, характеризующийся тем, что на планарный твердофазный оптический сенсор по п. 1 наносят жидкую пробу с исследуемым соединением с последующим детектированием полученного полиэлектролитного комплекса белкового соединения в полиэлектролитном слое методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния, при этом о качественном и количественном содержании белковых соединений судят по положению и интенсивности полос на регистрируемых спектрах.
7. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что для качественного и количественного анализа используют пробы объемом 15-30 мкл.
8. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что для детектирования пробу облучают лазерным излучением с длиной волны 514, или 532, или 633, или 785 нм, или 1064 нм и мощностью, не превышающей 10% от номинальной величины излучения, в течение до 10 секунд.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016148003A RU2659987C2 (ru) | 2016-12-07 | 2016-12-07 | Планарный твердофазный оптический сенсор для определения белковых соединений методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния и его применение для детектирования белковых соединений |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016148003A RU2659987C2 (ru) | 2016-12-07 | 2016-12-07 | Планарный твердофазный оптический сенсор для определения белковых соединений методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния и его применение для детектирования белковых соединений |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016148003A3 RU2016148003A3 (ru) | 2018-06-08 |
| RU2016148003A RU2016148003A (ru) | 2018-06-08 |
| RU2659987C2 true RU2659987C2 (ru) | 2018-07-04 |
Family
ID=62557462
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016148003A RU2659987C2 (ru) | 2016-12-07 | 2016-12-07 | Планарный твердофазный оптический сенсор для определения белковых соединений методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния и его применение для детектирования белковых соединений |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2659987C2 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2695916C1 (ru) * | 2018-07-09 | 2019-07-29 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Способ изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния, для микрофлюидных устройств (варианты) |
| RU2766343C1 (ru) * | 2020-12-16 | 2022-03-15 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт органической химии и технологии" (ФГУП "ГосНИИОХТ") | Способ получения гкр-чипа для иммунохимического анализа |
| RU2787341C1 (ru) * | 2022-04-01 | 2023-01-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Способ изготовления sers-активной подложки |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009116882A1 (en) * | 2008-03-17 | 2009-09-24 | Portela & Ca., S.A. | Crystal forms of 5- [3- (2, 5-dichloro-4, 6-dimethyl-1-oxy-pyridine-3-yl) [1,2,3] oxadiazol-5-yl] -3-nit robenzene-1, 2-diol |
| US20140125976A1 (en) * | 2011-05-20 | 2014-05-08 | Ansoon Kim | Surface enhanced raman spectroscopy sensor, system and method of sensing |
| RU2546518C2 (ru) * | 2013-05-23 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Способ анализа мембраносвязанного гемоглобина в эритроцитах с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеивания на наноструктурированных покрытиях |
| RU2572801C1 (ru) * | 2015-01-14 | 2016-01-20 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Химически модифицированный планарный оптический сенсор, способ его изготовления и способ анализа полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений с его помощью |
-
2016
- 2016-12-07 RU RU2016148003A patent/RU2659987C2/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009116882A1 (en) * | 2008-03-17 | 2009-09-24 | Portela & Ca., S.A. | Crystal forms of 5- [3- (2, 5-dichloro-4, 6-dimethyl-1-oxy-pyridine-3-yl) [1,2,3] oxadiazol-5-yl] -3-nit robenzene-1, 2-diol |
| US20140125976A1 (en) * | 2011-05-20 | 2014-05-08 | Ansoon Kim | Surface enhanced raman spectroscopy sensor, system and method of sensing |
| RU2546518C2 (ru) * | 2013-05-23 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Способ анализа мембраносвязанного гемоглобина в эритроцитах с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеивания на наноструктурированных покрытиях |
| RU2572801C1 (ru) * | 2015-01-14 | 2016-01-20 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Химически модифицированный планарный оптический сенсор, способ его изготовления и способ анализа полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений с его помощью |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2695916C1 (ru) * | 2018-07-09 | 2019-07-29 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Способ изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния, для микрофлюидных устройств (варианты) |
| RU2766343C1 (ru) * | 2020-12-16 | 2022-03-15 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт органической химии и технологии" (ФГУП "ГосНИИОХТ") | Способ получения гкр-чипа для иммунохимического анализа |
| RU2787341C1 (ru) * | 2022-04-01 | 2023-01-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Способ изготовления sers-активной подложки |
| RU2788479C1 (ru) * | 2022-04-04 | 2023-01-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта) | Планарный наноструктурированный сенсор на основе поверхностного плазмонного резонанса для усиления комбинационного рассеяния света тромбоцитов человека и способ его получения |
| RU2810180C2 (ru) * | 2022-04-29 | 2023-12-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Нанопрофайлинг" | Устройство для определения белков и нуклеиновых кислот |
| RU221743U1 (ru) * | 2023-06-21 | 2023-11-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Устройство для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016148003A3 (ru) | 2018-06-08 |
| RU2016148003A (ru) | 2018-06-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7977116B2 (en) | Analysis method and analysis apparatus | |
| Harris et al. | Electrochemical and in situ ellipsometric investigation of the permeability and stability of layered polyelectrolyte films | |
| JP2644331B2 (ja) | 液体の化学的分析のための改良可処分装置 | |
| US6649683B2 (en) | Solid matrices for surface-enhanced raman spectroscopy | |
| Liu et al. | Real-time monitoring biomarker expression of carcinoma cells by surface plasmon resonance biosensors | |
| US20060134606A1 (en) | Substrates for isolating reacting and microscopically analiyzing materials | |
| JP2010230679A (ja) | 生体感知用途のための金属微細シェル | |
| Babu et al. | Conventional and nanotechnology based sensors for creatinine (A kidney biomarker) detection: A consolidated review | |
| US20200200740A1 (en) | Method for detecting extracellular vesicles in a sample | |
| CN103926231B (zh) | 光学感测芯片 | |
| RU2659987C2 (ru) | Планарный твердофазный оптический сенсор для определения белковых соединений методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния и его применение для детектирования белковых соединений | |
| EP3350117B1 (en) | End-cap suitable for optical fiber devices and nanoplasmonic sensors | |
| JP2018526659A (ja) | 電気化学的検出方法によるアレルゲン検出装置 | |
| US20210116448A1 (en) | Method for measuring fibrinogen concentration in blood sample and nanoparticles for same | |
| US20210114023A1 (en) | Detection system and method for producing same | |
| KR101884832B1 (ko) | 전기화학적 검출방법에 의한 알레르겐 검출 장치 | |
| JP5097871B1 (ja) | 被検溶液に含まれる抗原の濃度を測定する方法 | |
| JP4859226B2 (ja) | 溶液成分センサ | |
| EP2941639B1 (en) | A three-dimensional dispersible nanoresonator structure for biological, medical and environmental applications and a method for manufacture thereof | |
| WO1988009824A1 (en) | Improvements in diagnostic test strips | |
| EP1953554B1 (en) | A method for production of a surface plasmon resonance device. | |
| Veselova et al. | Fluorometric and SERS sensor systems for diagnostics and monitoring of catecholamine-dependent diseases | |
| CN111686661B (zh) | 基于3d纳米孔状结构的血液分离和分析器件的制备方法及应用 | |
| US20240044787A1 (en) | Coronavirus mutation determination device comprising metamaterial array and electromagnetic wave irradiation unit | |
| Zhu et al. | New method for measuring the pore sizes and pore size distributions of filter membranes—the fluorescence probe method |