RU2781351C1 - Chemiluminescent analysis device - Google Patents

Chemiluminescent analysis device Download PDF

Info

Publication number
RU2781351C1
RU2781351C1 RU2021138950A RU2021138950A RU2781351C1 RU 2781351 C1 RU2781351 C1 RU 2781351C1 RU 2021138950 A RU2021138950 A RU 2021138950A RU 2021138950 A RU2021138950 A RU 2021138950A RU 2781351 C1 RU2781351 C1 RU 2781351C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
microfluidic chip
photodetector
radiation
samples
chemiluminescent
Prior art date
Application number
RU2021138950A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Антон Сергеевич Букатин
Тигран Арменакови Вартанян
Игорь Аркадьевич Гладских
Далер Рауфович Дададжанов
Антонина Ивановна Дададжанова
Ксения Киричек
Анна Олеговна Орлова
Анастасия Алексеевна Сапунова
Никита Александрович Торопов
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО)
Application granted granted Critical
Publication of RU2781351C1 publication Critical patent/RU2781351C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: instrumentation.
SUBSTANCE: invention relates to analytical sensor systems and can be used to detect reactive oxygen species in biological and other samples, as well as during chemiluminescent immunological analysis with increased sensitivity. The device for chemiluminescent analysis of the content of reactive oxygen species in biological and other samples contains a pump for inserting liquid reagents from containers with chemiluminophore and the samples under study into a microfluidic chip, the output of which is connected by a tube to a drain tank, and a photodetector, while the microfluidic chip and photodetector are placed in a light-tight housing, and the microfluidic chip is made at least two- channel and contains a dielectric substrate with a metasurface of laser-treated metal nanoparticles deposited on it, having localized plasmon resonance in the chemiluminescence spectral band of the chemiluminophore used, and the light-tight housing also includes two linear mutually orthogonally oriented polarizers superimposed on various microfluidic chip channels, located one after the other along the radiation propagation path: a polarization rotator and a third linear radiation polarizer installed directly in front of the photodetector input, coinciding in orientation with one of the linear polarizers superimposed on a microfluidic chip.
EFFECT: coding of chemiluminescent radiation by polarization and an increase in its intensity.
2 cl, 8 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к аналитическим сенсорным системам и может быть использовано для детектирования активных форм кислорода в биологических и иных пробах, а также при проведении хемилюминесцентного иммунологического анализа с повышенной чувствительностью. The invention relates to analytical sensor systems and can be used for detecting reactive oxygen species in biological and other samples, as well as for carrying out chemiluminescent immunoassay with increased sensitivity.

На сегодняшний день остро стоит вопрос о поиске быстродействующих, чувствительных и бюджетных сенсоров для ранней диагностики социально-значимых заболеваний, таких как сахарный диабет, инфаркт миокарда и оксидативный стресс организма. Состояние оксидативного стресса характеризуется высокой концентрацией активных форм кислорода (АФК) в организме, которые подавляют систему антиоксидантной защиты человека. Установлено, что АФК токсичны для сперматозоидов и ведут к мужскому бесплодию, а также участвуют во множестве воспалительных процессов. Избыточная концентрация АФК, высвобождаемых клетками иммунной системы, может привести к повреждению клеточных мембран и ДНК, что, в конечном счёте, приводит к гибели клеток и повреждению тканей. Таким образом, быстрое и точное определение концентрации АФК в биологических пробах является важнейшей предпосылкой правильной постановки диагноза и определения стратегии лечения.Today, the issue of finding high-speed, sensitive and low-cost sensors for the early diagnosis of socially significant diseases, such as diabetes mellitus, myocardial infarction, and oxidative stress of the body, is acute. The state of oxidative stress is characterized by a high concentration of reactive oxygen species (ROS) in the body, which suppress the human antioxidant defense system. It has been established that ROS are toxic to spermatozoa and lead to male infertility, and are also involved in many inflammatory processes. An excessive concentration of ROS released by cells of the immune system can lead to damage to cell membranes and DNA, which ultimately leads to cell death and tissue damage. Thus, the rapid and accurate determination of the concentration of ROS in biological samples is the most important prerequisite for a correct diagnosis and definition of a treatment strategy.

Традиционные подходы к анализу и диагностике оксидативного стресса отличаются рядом недостатков, к которым относятся необходимость забора больших объёмов исследуемого материала (аналита), длительная пробоподготовка с использованием флуоресцентных маркеров, а также дороговизна аналитического оборудования. Поэтому разработка новых высокочувствительных, быстродействующих и доступных по стоимости систем для определения оксидативного стресса организма приобретает особое значение.Traditional approaches to the analysis and diagnosis of oxidative stress have a number of disadvantages, which include the need to collect large volumes of the test material (analyte), lengthy sample preparation using fluorescent markers, and the high cost of analytical equipment. Therefore, the development of new highly sensitive, fast and affordable systems for determining the oxidative stress of the body is of particular importance.

Ключевым преимуществом хемилюминесцентных (ХЛ) устройств является то, что для их функционирования не нужен ни источник оптического излучения, ни флуоресцентные маркеры. Это обстоятельство существенно упрощает конструкцию приборов, уменьшает их вес и конечную стоимость. Однако эти преимущества не могут быть использованы в полной мере из-за того, что хемилюминофоры, применяемые в биомедицине, имеют низкую эффективность. Причиной низкой эффективности ХЛ является конкуренция безыизлучательных каналов дезактивации возбуждённых в результате химической реакции молекул с процессом излучения света. В этой связи разработка методов повышения эффективности хемилюминофоров и оптимизации процессов сбора и регистрации ХЛ излучения является актуальной задачей.The key advantage of chemiluminescent (CL) devices is that they do not require an optical source or fluorescent markers to function. This circumstance significantly simplifies the design of devices, reduces their weight and final cost. However, these advantages cannot be fully exploited due to the fact that chemiluminophores used in biomedicine have low efficiency. The reason for the low efficiency of CL is the competition of non-radiative channels for the deactivation of molecules excited as a result of a chemical reaction with the process of light emission. In this regard, the development of methods for increasing the efficiency of chemiluminophores and optimizing the processes of collection and registration of CL radiation is an urgent task.

Для экспресс-диагностики оксидативного стресса как правило используют ёмкости относительно больших (для аналитическо-диагностических приборов) объёмов, например кюветы, микроцентрифужные пробирки типа Эппендорф или культуральные луночные планшеты. Для изучения процессов образования активных форм кислорода в различных жидких средах запатентован малогабаритный прибор «Устройство для анализа люминесценции растворов» (Патент РФ №152424 МПК G01N 21/76, дата приоритета 20.02.2015, опубликован 27.05.2015), имеющее в комплектации блок управления дозатором жидкости. В данном устройстве исследуемое вещество помещают в пробирки микроцентрифужные пробирки с объемом 1.5 мл, что приводит к необходимости отбора больших объемов исследуемого материала.For express diagnostics of oxidative stress, as a rule, containers of relatively large volumes (for analytical and diagnostic instruments) are used, for example, cuvettes, Eppendorf-type microcentrifuge tubes or culture well plates. To study the processes of formation of reactive oxygen species in various liquid media, a small-sized device "Device for the analysis of luminescence of solutions" was patented (RF Patent No. 152424 MPK G01N 21/76, priority date 02.20.2015, published 05.27.2015), which is equipped with a dispenser control unit liquids. In this device, the test substance is placed in microcentrifuge tubes with a volume of 1.5 ml, which leads to the need to select large volumes of the test material.

Известен прибор для регистрации сверхслабых световых потоков «Устройство автоматического хемилюминометра» (Патент РФ №146739, МПК G01N 21/76, дата приоритета 13.03.2014, опубликован 20.10.2014), позволяющий проводить иммунохимические исследования и анализы свободно-радикальных патологий. Предложенное техническое решение позволяет увеличить производительность за счет использования стандартного луночного планшета с количеством проб до 96, однако рабочий объем одной лунки составляет 0.1-0.2 мл, что также приводит к необходимости отбора больших объемов исследуемого материала.A known device for recording ultra-weak light fluxes "Automatic chemiluminometer device" (RF Patent No. 146739, IPC G01N 21/76, priority date 03/13/2014, published 10/20/2014), which allows for immunochemical studies and analyzes of free radical pathologies. The proposed technical solution allows to increase productivity by using a standard well plate with up to 96 samples, however, the working volume of one well is 0.1-0.2 ml, which also leads to the need to select large volumes of the test material.

В Патенте «Микроволнововый триггер, индуцирующий металл-усиленную хемилюминесценцию (МТ МУХ), и её пространственный и временной контроль» (Патент USA №9075018 B2, МПК G01N 21/763, G01N 21/76, G01N 33/54306, G01N 33/5438, G01N 33/553, Y10T 436/143333, Y10T 436/144444, Y10T 436/145555, Y10T 436/147777, Y10T 436/201666, Y10T 436/21, Y10T 436/23, дата приоритета 13.02.2006, опубликован 07.07.2015) представлена ХЛ система, предназначенная для визуализации структур и элементов с использованием плазмонного эффекта от металлических поверхностей, визуально наблюдаемое свечение которых вызвано химическими и биологическими реакциями на основе эффекта ХЛ. Контраст в визуализации ХЛ изображений улучшается за счёт использования микроволнового излучения, и дополнительно за счёт использования металлических наноструктур. В данном патенте не проработаны вопросы сравнения интенсивности ХЛ в пробе и референтным образце, что не позволяет использовать его для определения оксидативного стресса.In the Patent "Microwave trigger inducing metal-enhanced chemiluminescence (MT MX) and its spatial and temporal control" (US Patent No. 9075018 B2, IPC G01N 21/763, G01N 21/76, G01N 33/54306, G01N 33/5438 , G01N 33/553, Y10T 436/143333, Y10T 436/144444, Y10T 436/145555, Y10T 436/147777, Y10T 436/201666, Y10T 436/21, Y10T 436/23, priority date published 02/13/07. 2015) presents a CL system designed to visualize structures and elements using the plasmon effect from metal surfaces, the visually observed glow of which is caused by chemical and biological reactions based on the CL effect. The contrast in visualization of CL images is improved by the use of microwave radiation, and additionally by the use of metallic nanostructures. In this patent, the issues of comparing the intensity of CL in the sample and the reference sample have not been worked out, which does not allow using it to determine oxidative stress.

Способ улучшения предела детектирования молекул аналита описан в патенте «Метод и устройство для хемилюминесцентного анализа» (Патент USA №20190195806 A1, МПК G01N 21/76, B01L 3/5027, G01N 21/05, G01N 33/582, G01N 33/587, G01N 33/725, B01L 2300/0663, B01L 2300/0877, B01L 2300/0883, B01L 2300/123, G01N 2021/0346, дата приоритета 13.02.2016, опубликован 07.07.2015), в котором используются коллоидные растворы серебряных и золотых наночастиц. Для сокращения расхода аналита использован микрофлюидный чип из полидиметилсилоксана (PDMS). Несмотря на заявленную в патенте возможность перехода от миллилитровых объемов аналита к микролитровым, следует отметить, что для поддержания заявленной повышенной чувствительности ХЛ сенсора, работающего в проточном режиме, требуется постоянное добавление коллоидных наночастиц благородных металлов в раствор хемилюминофора.A method for improving the detection limit of analyte molecules is described in the patent "Method and device for chemiluminescent analysis" (US Patent No. 20190195806 A1, IPC G01N 21/76, B01L 3/5027, G01N 21/05, G01N 33/582, G01N 33/587, G01N 33/725, B01L 2300/0663, B01L 2300/0877, B01L 2300/0883, B01L 2300/123, G01N 2021/0346, priority date 02/13/2016, published 07/07/2015), which uses colloidal solutions of silver and gold nanoparticles. To reduce analyte consumption, a polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic chip was used. Despite the possibility of switching from milliliter volumes of the analyte to microliter volumes declared in the patent, it should be noted that in order to maintain the declared increased sensitivity of the CL sensor operating in the flow mode, the constant addition of colloidal noble metal nanoparticles to the chemiluminophore solution is required.

Известен патент «Люминометр» (Патент РФ №180961 U1, МПК G01N 21/01, G01N 21/76, дата приоритета 14.07.2017, опубликован 02.07.2018), содержащий шарнирно сочленённый корпус, состоящий из верхней и нижней частей, в которых расположены кюветное отделение и электронная система управления, включающая твердотельный фотоумножитель, блок усиления сигналов, блок питания, блок управления, счётчик импульсов, USB-порт, датчик положения верхней части корпуса и аккумуляторную батарею.Known patent "Luminometer" (RF Patent No. 180961 U1, IPC G01N 21/01, G01N 21/76, priority date 07/14/2017, published 07/02/2018), containing an articulated body, consisting of an upper and lower parts, in which are located sample compartment and an electronic control system, including a solid-state photomultiplier, a signal amplification unit, a power supply unit, a control unit, a pulse counter, a USB port, a position sensor of the upper part of the case, and a rechargeable battery.

Зарегистрировано изобретение «Устройство для анализа хеми- и биолюминесценции жидких сред» (Патент РФ №2452937 С1, МПК G01N 21/76, дата приоритета 15.02.2011, опубликован 10.06.2012) на устройство для анализа ХЛ растворов, содержащее кюветное отделение для исследуемого или референтного образца, нагреватель, ФЭУ, интерфейс, блок управления, электропривод и блок питания, соединенные по электрической цепи и подключенные к персональному компьютеру. Несмотря то, что устройство включает в себя дополнительные вспомогательные объекты (термодатчики, нагреватель и дозаторы), к числу его явных недостатков следует отнести невозможность проводить быстрый сравнительный анализ содержания активных форм кислорода в исследуемых образцах.The invention "Device for the analysis of chemi- and bioluminescence of liquid media" (RF Patent No. 2452937 C1, IPC G01N 21/76, priority date 15.02.2011, published 10.06.2012) for a device for the analysis of CL solutions containing a cuvette compartment for the test or a reference sample, a heater, a PMT, an interface, a control unit, an electric drive and a power supply connected via an electrical circuit and connected to a personal computer. Despite the fact that the device includes additional auxiliary objects (temperature sensors, a heater, and dispensers), its obvious disadvantages include the inability to conduct a quick comparative analysis of the content of reactive oxygen species in the samples under study.

В настоящее время для регистрации ХЛ сигнала в стационарных приборах используются различные методы. Однако в портативных приборах в большинстве случаев используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Как правило, регистрация ХЛ сигнала осуществляется последовательно для каждого образца: сначала определяется интенсивность ХЛ референтного образца с заранее известным содержанием АФК, затем регистрируются сигналы от исследуемых образцов. Этот же подход лежит в основе «Устройства для экспрессного определения концентрации активных форм кислорода в водных растворах» (Патент РФ №162866 U1, МПК G01N 21/76, дата приоритета 30.12.2015, опубликован 27.06.2016), где для проведения серийных измерений используется одна кювета. Основным недостатком приведенного устройства является необходимость постоянного промывания кюветы для записи референтного сигнала ХЛ при условии использования разных исследуемых веществ и компонентов.Currently, various methods are used to record the CL signal in stationary devices. However, in portable devices, in most cases, photomultiplier tubes (PMTs) are used. As a rule, the CL signal is recorded sequentially for each sample: first, the CL intensity of the reference sample with a predetermined ROS content is determined, then the signals from the studied samples are recorded. The same approach underlies the “Device for express determination of the concentration of reactive oxygen species in aqueous solutions” (RF Patent No. 162866 U1, IPC G01N 21/76, priority date 12/30/2015, published 06/27/2016), where serial measurements are performed using one cuvette. The main disadvantage of this device is the need for constant washing of the cuvette to record the reference CL signal, provided that different test substances and components are used.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является портативное устройство, описанное в патенте «Микрофлюидное устройство для детектирования хемилюминесценции» (Патент CN №212780531 U, МПК G01N 21/76, B01L 3/00, дата приоритета 01.09.2020, опубликован 23.03.2021). Устройство предназначено для количественного определения биологического потребления кислорода (БПК) в пробе воды в зависимости от концентрации загрязняющих её органических веществ. Принцип работы устройства основан на оптическом эффекте ХЛ молекул люминола, возникающей в каналах микрофлюидного чипа. Устройство включает в себя микрофлюидную систему, насос для ввода с помощью трубок жидкости из емкости с реактивами в виде хемилюминофора, в частности люминола, и исследуемыми образцами, в виде проб воды, в микрофлюидный чип, выходы которого связаны трубками с емкостью для слива, фотоприемник для регистрации ХЛ и микроустройство для контроля температуры. Описанное устройство отличается разделением микрофлюидного чипа на реакционную зону с клапанным каналом Теслы для перемешивания дрожжевой суспензии и пробы воды, а также зону ХЛ со спиралевидным одиночным микроканалом, предназначенную для быстрого перемешивания растворов образца с люминолом и дальнейшего наблюдения генерации ХЛ свечение в присутствие пробы воды. Ввод образца воды происходит одновременно с вводом суспензии дрожжей в реакционном канале при использовании перистальтического насоса с заданной скоростью потока. ХЛ люминола при активации смешанным раствором образца воды с дрожжами регистрируется в режиме реального времени с помощью фотоприемника в виде ФЭУ, расположенного под микрофлюидным чипом. Однако недостатками этого устройства является длительность времени для сравнительного анализа, что в свою очередь не исключает возможности загрязнения микроканалов продуктами реакции контрольного образца, а также отсутствие светонепроницаемого корпуса, что вызывает необходимость проводить регистрацию ХЛ свечения в темной комнате. Это обстоятельство не позволяет получать достоверные данные об интенсивности ХЛ исследуемых проб.The closest in technical essence to the claimed object is a portable device described in the patent "Microfluidic device for detecting chemiluminescence" (Patent CN No. 212780531 U, IPC G01N 21/76, B01L 3/00, priority date 09/01/2020, published 03/23/2021 ). The device is designed for quantitative determination of biological oxygen demand (BOD) in a water sample depending on the concentration of polluting organic substances. The operating principle of the device is based on the optical effect of CL of luminol molecules, which appears in the channels of a microfluidic chip. The device includes a microfluidic system, a pump for introducing liquid from a container with reagents in the form of a chemiluminophore, in particular luminol, and test samples in the form of water samples into a microfluidic chip, the outputs of which are connected by tubes to a container for draining, a photodetector for registration of CL and a microdevice for temperature control. The described device is distinguished by the division of a microfluidic chip into a reaction zone with a Tesla valve channel for mixing yeast suspension and water sample, as well as a CL zone with a spiral single microchannel, designed for rapid mixing of sample solutions with luminol and further observation of CL generation in the presence of a water sample. The input of the water sample occurs simultaneously with the input of the yeast suspension in the reaction channel using a peristaltic pump with a given flow rate. The CL of luminol upon activation by a mixed solution of a water sample with yeast is recorded in real time using a photodetector in the form of a PMT located under the microfluidic chip. However, the disadvantages of this device are the length of time for comparative analysis, which, in turn, does not exclude the possibility of contamination of the microchannels with the reaction products of the control sample, as well as the absence of an opaque housing, which necessitates the registration of CL luminescence in a dark room. This circumstance does not allow one to obtain reliable data on the CL intensity of the studied samples.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение быстродействия и увеличения чувствительности детектирования, а также сокращения расхода объема потребления биологических и иных проб, содержащих АФК. Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в кодировании ХЛ излучения, идущего с различных каналов микрофлюидного чипа, путем его поляризации и увеличении его интенсивности. Технический результат достигается за счет того, устройство для хемилюминесцентного анализа содержания активных форм кислорода в биологических и иных пробах, содержит насос для ввода с помощью трубок жидких реактивов из емкостей с хемилюминофором и исследуемыми пробами в микрофлюидный чип, выход которого связан трубкой с емкостью для слива, и фотоприемник, отличается тем, что микрофлюидный чип и фотоприемник помещены в светонепроницаемый корпус, причем микрофлюидный чип выполнен по меньшей мере двухканальным и включает диэлектрическую подложку с нанесенной на нее метаповерхностью из обработанных лазерным излучением металлических наночастиц, обладающих локализованным плазмонным резонансом в спектральной полосе хемилюминесценции используемого хемилюминофора, а в светонепроницаемый корпус также включены два линейных взаимно-ортогонально ориентированных поляризатора, наложенных на различные каналы микрофлюидного чипа, и расположенные друг за другом по ходу распространения излучения вращатель поляризации, выполненный, например, в виде жидкокристаллической твист-ячейки, электрические входы которой подключены к выходам генератора управляющих импульсов напряжения, третий линейный поляризатор излучения, совпадающий по ориентации с одним из линейных поляризаторов, наложенных на микрофлюидный чип, фотоприемник, выполненный с функцией счета фотонов.The task to be solved by the claimed invention is to increase the speed and increase the sensitivity of detection, as well as reduce the volume consumption of biological and other samples containing ROS. The problem is solved by achieving a technical result, which consists in encoding the CL radiation coming from different channels of the microfluidic chip by polarizing it and increasing its intensity. The technical result is achieved due to the fact that the device for chemiluminescent analysis of the content of reactive oxygen species in biological and other samples contains a pump for introducing liquid reagents from containers with chemiluminophore and test samples into a microfluidic chip using tubes, the output of which is connected by a tube to a container for draining, and a photodetector, characterized in that the microfluidic chip and the photodetector are placed in an opaque housing, the microfluidic chip is made at least two-channel and includes a dielectric substrate with a metasurface deposited on it from laser-treated metal nanoparticles having a localized plasmon resonance in the chemiluminescence spectral band of the chemiluminophore used , and the opaque housing also includes two linear mutually orthogonally oriented polarizers superimposed on different channels of the microfluidic chip and located one after the other along the propagation of the rotator radiation. l polarization, made, for example, in the form of a liquid crystal twist cell, the electrical inputs of which are connected to the outputs of the generator of control voltage pulses, the third linear polarizer of radiation, coinciding in orientation with one of the linear polarizers superimposed on a microfluidic chip, a photodetector made with a counting function photons.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1-8 и их кратким описанием, указанным ниже.The essence of the invention is illustrated by figures 1-8 and their brief description below.

Фиг. 1. Принципиальная схема устройства для хемилюминесцентного анализа.Fig. 1. Schematic diagram of a device for chemiluminescent analysis.

Фиг. 2. Микрофлюидный чип. Гибкая прозрачная полимерная часть из PDMS c двумя микроканалами (а) и диэлектрическая подложка с металлическим покрытием из наночастиц (б). На вставке приведен снимок серебряных наночастиц со сканирующего электронного микроскопа.Fig. 2. Microfluidic chip. A flexible transparent PDMS polymer part with two microchannels (a) and a dielectric substrate with a metal coating of nanoparticles (b). The inset shows a picture of silver nanoparticles taken from a scanning electron microscope.

Фиг. 3. Спектральное перекрытие полосы поглощения метаповерхности из серебряных (Ag) наночастиц (а) и полосы хемилюминесценции молекул люминола (б).Fig. Fig. 3. Spectral overlap of the absorption band of the metasurface of silver (Ag) nanoparticles (a) and the chemiluminescence band of luminol molecules (b).

Фиг. 4. Кинетика хемилюминесцентной реакции люминола при активации пероксидом водорода (H2O2): (а) микрофлюидный канал без метаповерхности из серебряных наночастиц и (б) микрофлюидный канал с метаповерхностью из серебряных наночастиц.Fig. Fig. 4. Kinetics of the chemiluminescent reaction of luminol upon activation with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ): (a) a microfluidic channel without a metasurface of silver nanoparticles and (b) a microfluidic channel with a metasurface of silver nanoparticles.

Фиг. 5. Кинетика хемилюминесцентной реакции люминола в присутствии плазмонной метаповерхности из серебряных наночастиц при активации пероксидом водорода (H2O2) различной концентрации: время накопления 100 мс (а) и 10000 мс (б).Fig. Fig. 5. Kinetics of the chemiluminescent reaction of luminol in the presence of a plasmonic metasurface of silver nanoparticles upon activation with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) of various concentrations: accumulation time 100 ms (a) and 10000 ms (b).

Фиг. 6. Кинетика хемилюминесцентной реакции люминола в присутствии плазмонной метаповерхности из серебряных наночастиц при активации гипохлоритом натрия (NaOCl) различной концентрации.Fig. Fig. 6. Kinetics of the chemiluminescent reaction of luminol in the presence of a plasmonic metasurface of silver nanoparticles upon activation with sodium hypochlorite (NaOCl) of various concentrations.

Фиг. 7. Демонстрация попеременной регистрации кинетики хемилюминесцентной реакции люминола, с помощью вращателя поляризации. Fig. 7. Demonstration of alternate registration of the kinetics of the chemiluminescent reaction of luminol, using a polarization rotator.

Фиг. 8. Фотография устройства для хемилюминесцентного анализа.Fig. 8. Photograph of the device for chemiluminescent analysis.

Устройство для хемилюминесцентного (ХЛ) анализа (Фиг. 1), состоит из светонепроницаемого корпуса, включающий крышку 1 и основание 2, защищающий фотоприемник ХЛ излучения от посторонней засветки. Ключевым элементом устройства является микрофлюидный чип, состоящий из сборки гибкой прозрачной полимерной части 3 с микроканалами с заданными параметрами, изготовленными литографическим методом, с диэлектрической подложкой 4 с нанесенными на нее металлическими (например, серебряными) наночастицами. Для поступления растворов, микрофлюидный чип соединён через силиконовые трубки 5 с четырехканальным инфузионным насосом 6, включающим в себя шприцы с необходимыми растворами: хемилюминофора (например, люминола) 7 с исследуемыми образцами 8 для сравнительного канала микрофлюидного чипа (Канал 2), и хемилюминофора 9 с референтным образцом 10 (Канал 1). Для позиционирования микрофлюидного чипа внутри основания 2 светонепроницаемого корпуса вставлены цилиндрические неодимовые магниты, которые точно сопрягаются с прозрачной полимерной частью 3 и с поляризаторами 11. Два расположенных в одной плоскости линейных поляризатора 11, наложенных на гибкую прозрачную полимерную часть 3 так, что угол между их главными плоскостями пропускания равен 90°, обеспечивают преобразование ХЛ излучение каналов с референтным образцом и исследуемыми образцами в линейно-поляризованное. Модуляция ХЛ сигнала осуществляется с помощью вращателя поляризации 12, выполненного, например, в виде жидкокристаллической твист-ячейки. Поляризатор 13 служит для определения закодированного поляризованного ХЛ излучения с каналов микрофлюидного чипа. Для вращения плоскости поляризации электрические входы вращателя 12 поляризации подключены к выходам генератора управляющих импульсов напряжения 14. Регистрация ХЛ излучении осуществляется с помощью фотоприемника 15, поддерживающего функцию счета фотонов. Для управления генератором управляющих импульсов напряжения 14, фотоприемником 15 и визуализации регистрируемых данных в режиме реального времени используется персональный компьютер 16. Сбор отработанных растворов осуществляется в специальную емкость 17.The device for chemiluminescent (CL) analysis (Fig. 1) consists of an opaque housing, including cover 1 and base 2, which protects the photodetector of CL radiation from extraneous illumination. The key element of the device is a microfluidic chip consisting of an assembly of a flexible transparent polymer part 3 with microchannels with specified parameters, made by the lithographic method, with a dielectric substrate 4 coated with metal (for example, silver) nanoparticles. To receive solutions, the microfluidic chip is connected through silicone tubes 5 to a four-channel infusion pump 6, which includes syringes with the necessary solutions: chemiluminophore (for example, luminol) 7 with test samples 8 for the comparative channel of the microfluidic chip (Channel 2), and chemiluminophore 9 with reference sample 10 (Channel 1). To position the microfluidic chip inside the base 2 of the opaque housing, cylindrical neodymium magnets are inserted, which are precisely mated with the transparent polymer part 3 and polarizers 11. Two linear polarizers 11 located in the same plane, superimposed on the flexible transparent polymer part 3 so that the angle between their main transmission planes is equal to 90°, provide the conversion of CL radiation of channels with a reference sample and samples under study into a linearly polarized one. Modulation of the CL signal is carried out using a polarization rotator 12, made, for example, in the form of a liquid crystal twist cell. Polarizer 13 is used to determine the encoded polarized CL radiation from the channels of the microfluidic chip. To rotate the plane of polarization, the electrical inputs of the polarization rotator 12 are connected to the outputs of the generator of control voltage pulses 14. Registration of CL radiation is carried out using a photodetector 15 that supports the photon counting function. To control the generator of control voltage pulses 14, photodetector 15 and visualize the recorded data in real time, a personal computer 16 is used. Waste solutions are collected in a special container 17.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Сперва подготавливается щелочной раствор люминола с концентрацией 0.1 М с pH~12-13 и набирается в шприц 7 и шприц 9. Раствор с референтным образцом набирается в шприц 10, а раствор с исследуемым образцом в шприц 8, после чего шприцы закрепляются в каретке инфузионного насоса 6. Затем для получения корректных данных и снижении паразитных шумов при регистрации кинетики реакции ХЛ рекомендуется выдержать фотоприёмник 15 не менее 30 минут в темноте. Далее с одной стороны микрофлюидного чипа силиконовые трубки 5 подключаются к шприцам 7, 8, 9, 10 с необходимыми растворами, а с другой стороны - к емкости для слива 17. Генератор управляющих импульсов напряжения 14, обеспечивающий управление вращателем поляризации 12, подключается к сети переменного тока 220 В с частотой 50 Гц с помощью кабеля питания и к персональному компьютеру 16 через USB-кабель. Далее необходимо запустить программное обеспечение для фотоприемника 15, выход которого соединен с персональным компьютером 16 с помощью USB кабеля. Для последующего анализа данных следует зарегистрировать базовую линию с необходимым временем экспозиции (допустимо от 10 мс). После того как зарегистрирована базовая линия, в инфузионном насосе 6 выставляется скорость подачи жидкости (допустимо от 5 до 50 мкл/мин), и запускается закачка растворов из шприцов 7, 8, 9, 10 в микрофлюидный чип 3 через герметично скрепленные с ним трубки 6. Затем растворы из шприцов с люминолом 9 и референтным образцом 10 поступают в Канал 1 микрофлюидного чипа и перемешиваются в реакционном участке микрофлюидного чипа, индуцируя тем самым ХЛ свечение. Аналогичным образом ХЛ свечение должно наблюдаться в Канале 2, когда растворы с люминолом 7 и исследуемыми образцами 9 начнут взаимодействовать друг с другом. Затем ХЛ излучение Каналов 1 и 2, проходя через соответствующие им поляризаторы 11, поляризуется, и в результате чего излучение Канала 1 будет поляризовано перпендикулярно излучению Канала 2. Затем ХЛ излучение обоих каналов проходит через вращатель поляризации 12, который в свою очередь вращает плоскость поляризации излучения на 90° в отсутствии на его электрических входах напряжения, либо не изменяет плоскость поляризации при установлении с помощью генератора управляющих импульсов 14 напряжения равным U~1.5 В. Далее излучение проходит через поляризатор 13 сигналов каналов с референтным образцом и исследуемыми образцами и в зависимости от напряжения на выходе генератора управляющих импульсов напряжения поочередно попадает на фотоприемник. В результате этих операций, на мониторе персонального компьютера 16 отображается зависимость количества фотонов от времени, т.н. кинетика ХЛ реакции, приходящих на фотоприемник с Каналов 1 и 2 микрофлюидного чипа. После чего, на основании полученных данных проводится как качественная, так и количественная оценка АФК в растворе с исследуемым образцом по сравнению с референтным образцом с известной концентрацией. Для регистрации стабильного ХЛ отклика целесообразным является пропустить через микрофлюидный чип порядка 120-240 мкл смешанных растворов с хемилюминофором/исследуемым образцом и хемилюминофором/референтным образцом. Анализ экспериментальных данных показал, что объем одного канала в микрофлюидном чипе не превышает 60 мкл. Технические характеристики фотоприемника 15 и вращателя поляризации 12 позволяют использовать устройство и с другими хемилюминофорами, чьи полосы излучения лежат в спектральном диапазоне от 400 нм до 700 нм. В качестве фотоприемника 15 ХЛ излучения может быть установлен приемник Photon Counting Head H11890-210 (Hamamatsu, Япония).First, an alkaline solution of luminol with a concentration of 0.1 M with pH ~ 12-13 is prepared and drawn into syringe 7 and syringe 9. The solution with the reference sample is drawn into syringe 10, and the solution with the test sample into syringe 8, after which the syringes are fixed in the carriage of the infusion pump 6. Then, in order to obtain correct data and reduce parasitic noises when registering the kinetics of the CL reaction, it is recommended to keep the photodetector 15 for at least 30 minutes in the dark. Then, on one side of the microfluidic chip, silicone tubes 5 are connected to syringes 7, 8, 9, 10 with the necessary solutions, and on the other side, to a container for draining 17. The control voltage pulse generator 14, which controls the polarization rotator 12, is connected to the AC network. current 220 V with a frequency of 50 Hz using a power cable and to a personal computer 16 via a USB cable. Next, you need to run the software for the photodetector 15, the output of which is connected to the personal computer 16 using a USB cable. For subsequent data analysis, a baseline should be recorded with the required exposure time (permissible from 10 ms). After the baseline is registered, the fluid supply rate is set in the infusion pump 6 (allowable from 5 to 50 μl / min), and the pumping of solutions from syringes 7, 8, 9, 10 into the microfluidic chip 3 through the tubes 6 hermetically fastened to it is started. Then, solutions from syringes with luminol 9 and reference sample 10 enter Channel 1 of the microfluidic chip and mix in the reaction section of the microfluidic chip, thereby inducing CL luminescence. Similarly, CL luminescence should be observed in Channel 2, when solutions with luminol 7 and test samples 9 begin to interact with each other. Then the CL radiation of Channels 1 and 2, passing through the polarizers 11 corresponding to them, is polarized, and as a result, the radiation of Channel 1 will be polarized perpendicular to the radiation of Channel 2. Then the CL radiation of both channels passes through the polarization rotator 12, which in turn rotates the radiation polarization plane by 90° in the absence of voltage at its electrical inputs, or does not change the plane of polarization when the voltage is set to U ~ 1.5 V using the control pulse generator 14. Further, the radiation passes through the polarizer 13 of the channel signals with the reference sample and the samples under study and depending on the voltage at the output of the control pulse generator, the voltage alternately falls on the photodetector. As a result of these operations, the monitor of the personal computer 16 displays the dependence of the number of photons on time, the so-called. kinetics of the CL reaction coming to the photodetector from Channels 1 and 2 of the microfluidic chip. After that, on the basis of the data obtained, both qualitative and quantitative assessment of ROS in solution with the test sample is carried out in comparison with a reference sample with a known concentration. To register a stable CL response, it is advisable to pass through the microfluidic chip about 120-240 µl of mixed solutions with chemiluminophore/test sample and chemiluminophore/reference sample. An analysis of the experimental data showed that the volume of one channel in a microfluidic chip does not exceed 60 µl. The technical characteristics of the photodetector 15 and the polarization rotator 12 make it possible to use the device with other chemiluminophores whose emission bands lie in the spectral range from 400 nm to 700 nm. A Photon Counting Head H11890-210 receiver (Hamamatsu, Japan) can be installed as a photodetector 15 of CL radiation.

Пример 1.Example 1

Для повышения чувствительности, сокращения расхода проб и увеличения быстродействия анализа ХЛ устройства был использован микрофлюидный чип с внедренными в него металлическими наночастицами. Гибкая полимерная часть 3 (Фиг. 2а), была изготовлена из оптически прозрачного полидиметилсилоксана (PDMS) с использованием стандартной мягкой литографии [Bukatin A.S., Mukhin I.S., Malyshev E.I., Kukhtevich I.V., Evstrapov A.A., Dubina M.V. Fabrication of high-aspect-ratio microstructuresin polymer microfluid chips for in vitro single-cell analysis//Technical Physics. - 2016. - V. 61, № 10. - P. 1566-1571]. Собранный микрофлюидный чип из гибкой полимерной части 3 и диэлектрической подложки 4 с металлическими наночастицами, содержит в себе два отдельных ромбовидных канала, необходимых для проведения сравнительного анализа (Фиг. 2а), и четыре отверстия для ввода и два отверстия для вывода растворов. Для обеспечения наилучшей чувствительности детектирования АФК с металлическими наночастицами высота каналов должна не превышать 10 мкм. В свою очередь, серебряные наночастицы (Фиг. 2б) на подложке были получены методом осаждения из паровой фазы в вакуумной камере PVD-75 (Kurt J. Lesker) согласно процедуре в работе [Leonov N. B. et al. Evolution of the optical properties and morphology of thin metal films during growth and annealing //Optics and spectroscopy. - 2015. - Т. 119. - №. 3. - С. 450-455.] при использовании необходимой маски. Последующий высокотемпературный отжиг серебряных наночастиц привел к самоорганизации металлических нанокластеров на поверхности подложки за счет поверхностной диффузии атомов серебра. Анализ снимка со сканирующего электронного микроскопа показал, что наночастицы имеют округлую форму с размерами от 10 нм до 200 нм (Фиг. 2б). Чтобы значительно повысить их устойчивость к воздействию химических реагентов, согласно процедуре, описанной в работе [Dadadzhanov D. R. et al. Self-organized plasmonic metasurfaces: The role of the Purcell effect in metal-enhanced chemiluminescence (MEC)//Sensors and Actuators B: Chemical. - 2021. - Т. 333. - С. 129453.], подложки были подвергнуты воздействию импульсного лазерного излучения с дозой энергии 80 мДж/см2 на длине волны 3-ей гармоники Nd:YAG - лазера (SOLAR Laser System) - 355 н. Обработка лазерным излучением позволяет избежать расход металлических наночастиц в ходе анализа, и допускает многократное использование микрофлюидных чипов за счет их фиксации на поверхности диэлектрической подложки. Также стоит отметить, что одно из необходимых условий усиления сигнала ХЛ выполняется за счет практически полного спектрального перекрытия полосы поглощения серебра и полосы ХЛ люминола, как показано на Фиг 3. Спектр ХЛ люминола имеет максимум на длине волны 428 нм, в то время как максимум поглощения плазмонного резонанса метаповерхности из серебряных наночастиц приходится на 450 нм. Для сравнительной демонстрации эффекта усиления ХЛ люминола был использован микрофлюидный чип, в котором только один канал имел включения из металлических наночастиц на диэлектрической подложке (вставка на Фиг.3). Далее заранее подготовленный 3 % раствор перекиси водорода и щелочной раствор люминола с pH = 12.7 был одновременно введен в микрофлюидный чип со скоростью 1.5 мкл/мин сперва в Канал 1 без наночастиц, а затем в Канал 2 с наночастицами. Из кинетики ХЛ на Фиг. 4 видно, что свечение люминола без наночастиц (а) резко возрастает, спустя некоторое время спадает и практически не меняется. В случае использования метаповерхности из металлических наночастиц с люминолом (б) наблюдается ярко выраженный рост интенсивности ХЛ, который со временем выходит на уровень насыщения. Сопоставление значений интенсивности ХЛ в Каналах 1 и 2 за промежуток времени, в котором сигналы стабильны, показало, что интенсивность ХЛ в канале с серебряными наночастицами в 3 раза выше, чем в канале без наночастиц (т. н. фактор усиления ХЛ). Усиление интенсивности ХЛ достигается вследствие эффекта Парселла, при котором происходит увеличение скорости радиационного распада возбуждённых молекул хемилюминофора, находящихся вблизи наночастиц [Sauvan C. et al. Theory of the spontaneous optical emission of nanosize photonic and plasmon resonators //Physical Review Letters. - 2013. - Т. 110. - №. 23. - С. 237401.]. Таким образом, использование плазмонной метаповерхности позволяет увеличить интенсивность ХЛ без увеличения объёма аналита и без усложнения процедуры измерения, но и также исключить применение дополнительных химических катализаторов ХЛ [Iranifam M. Chemiluminescence reactions enhanced by silver nanoparticles and silver alloy nanoparticles: applications in analytical chemistry //TrAC Trends in Analytical Chemistry. - 2016. - Т. 82. - С. 126-142.].A microfluidic chip with embedded metal nanoparticles was used to increase the sensitivity, reduce the consumption of samples, and increase the speed of the analysis of the CL device. The flexible polymer part 3 (Fig. 2a) was fabricated from optically transparent polydimethylsiloxane (PDMS) using standard soft lithography [Bukatin AS, Mukhin IS, Malyshev EI, Kukhtevich IV, Evstrapov AA, Dubina MV Fabrication of high-aspect-ratio microstructuresin polymer microfluid chips for in vitro single-cell analysis//Technical Physics. - 2016. - V. 61, No. 10. - P. 1566-1571]. The assembled microfluidic chip from a flexible polymer part 3 and a dielectric substrate 4 with metal nanoparticles contains two separate rhomboid channels necessary for comparative analysis (Fig. 2a), and four holes for inlet and two holes for output of solutions. To provide the best detection sensitivity for ROS with metal nanoparticles, the channel height should not exceed 10 μm. In turn, the silver nanoparticles (Fig. 2b) on the substrate were obtained by vapor deposition in a PVD-75 vacuum chamber (Kurt J. Lesker) according to the procedure in [Leonov NB et al. Evolution of the optical properties and morphology of thin metal films during growth and annealing //Optics and spectroscopy. - 2015. - T. 119. - No. 3. - S. 450-455.] when using the necessary mask. The subsequent high-temperature annealing of silver nanoparticles led to the self-organization of metal nanoclusters on the substrate surface due to the surface diffusion of silver atoms. An analysis of the image from a scanning electron microscope showed that the nanoparticles have a rounded shape with sizes from 10 nm to 200 nm (Fig. 2b). To significantly improve their resistance to chemicals, according to the procedure described in [Dadadzhanov DR et al. Self-organized plasmonic metasurfaces: The role of the Purcell effect in metal-enhanced chemiluminescence (MEC)//Sensors and Actuators B: Chemical. - 2021. - T. 333. - S. 129453.], the substrates were exposed to pulsed laser radiation with an energy dose of 80 mJ / cm 2 at a wavelength of the 3rd harmonic of the Nd: YAG - laser (SOLAR Laser System) - 355 n . Processing with laser radiation avoids the consumption of metal nanoparticles during analysis and allows multiple use of microfluidic chips due to their fixation on the surface of a dielectric substrate. It is also worth noting that one of the necessary conditions for amplifying the CL signal is fulfilled due to the almost complete spectral overlap of the silver absorption band and the luminol CL band, as shown in Fig. 3. The luminol CL spectrum has a maximum at a wavelength of 428 nm, while the absorption maximum plasmon resonance of the metasurface of silver nanoparticles falls at 450 nm. For a comparative demonstration of the effect of enhancing the CL of luminol, a microfluidic chip was used, in which only one channel had inclusions of metal nanoparticles on a dielectric substrate (insert in Fig. 3). Next, a previously prepared 3% hydrogen peroxide solution and an alkaline solution of luminol with pH = 12.7 were simultaneously introduced into the microfluidic chip at a rate of 1.5 μL/min, first into Channel 1 without nanoparticles, and then into Channel 2 with nanoparticles. From the CL kinetics in Fig. It can be seen from Fig. 4 that the luminescence of luminol without nanoparticles (a) sharply increases, after some time it decreases and practically does not change. In the case of using a metasurface of metal nanoparticles with luminol (b), a pronounced increase in the CL intensity is observed, which eventually reaches the saturation level. Comparison of the CL intensity values in Channels 1 and 2 over the time interval in which the signals are stable showed that the CL intensity in the channel with silver nanoparticles is 3 times higher than in the channel without nanoparticles (the so-called CL amplification factor). An increase in the intensity of CL is achieved due to the Purcell effect, in which there is an increase in the rate of radiation decay of excited chemiluminophore molecules located near the nanoparticles [Sauvan C. et al. Theory of the spontaneous optical emission of nanosize photonic and plasmon resonators //Physical Review Letters. - 2013. - T. 110. - No. 23. - S. 237401.]. Thus, the use of a plasmonic metasurface allows increasing the CL intensity without increasing the volume of the analyte and without complicating the measurement procedure, but also eliminating the use of additional chemical CL catalysts [Iranifam M. Chemiluminescence reactions enhanced by silver nanoparticles and silver alloy nanoparticles: applications in analytical chemistry // TrAC Trends in Analytical Chemistry. - 2016. - T. 82. - S. 126-142.].

Пример 2.Example 2

Для демонстрации возможности детектирования АФК предлагаемым устройством, была проведена регистрация кинетики ХЛ реакции люминола с метаповерхностью из металлических наночастиц при активации молекулами пероксида водорода (Фиг. 5 а, б) и гипохлоритом натрия (Фиг. 6) с различной концентрацией. Как видно из Фиг. 5а, интенсивность ХЛ с течение времени начинает резко увеличиваться, а затем резко спадает до стационарного уровня. Для оценки уровня оксидативного стресса, вызванного присутствием пероксида водорода, целесообразно оценивать этот показатель по трём критериям. Первый критерий рассматривает оценку отношения максимумов интенсивностей исследуемого и референтного образцов при первой яркой вспышке, например, в районе 40 с на всех графиках кинетики ХЛ на Фиг. 5а. Второй критерий рассматривает оценку отношений средних значений интенсивности ХЛ исследуемого и референтного образцов при достижении стационарного состояния после резкой вспышки. Последний критерий оценки предусматривает сравнение среднего значения площади под кривой ХЛ реакции со средним значением площади под кривой для референтного образца за одинаковые временные промежутки. Из Фиг. 5а также видно, что ХЛ устройство, при времени накопления сигнала 100 мс, позволяет детектировать присутствие молекул пероксида водорода вплоть до 0.3 нг/мл. Разумеется, достижение более качественной кинетики ХЛ также может осуществлено с помощью увеличения времени накопления сигнала ХЛ, что подтверждается при времени накопления 10000 мс и при ранее использованной концентрации пероксида водорода (0.3 нг/мл) (Фиг. 5б). Для подтверждения возможности детектирования активных форм кислорода другого типа был использован водный раствор гипохлорита натрия с различной концентрацией, как указано на Фиг. 6. Было продемонстрировано, что ХЛ устройство способно зарегистрировать содержание гипохлорита в образце до 2.5 нг/мл. Объем используемых смешанных растворов в одном канале не превышал 250 мкл. Таким образом, была показана работоспособность ХЛ устройства регистрации ХЛ люминола на примере детектирования АФК (пероксида водорода и гипохлорита). Также было продемонстрировано преимущество использования метаповерхности из металлических наночастиц, внедренной в микрофлюидный чип, которая не только повышает чувствительность детектирования АФК, но и характеризуется хорошей устойчивостью на поверхности диэлектрической подложке при контакте со щелочным раствором люминола. Многократное использование микрофлюидного чипа с метаповерхностью подтверждается стабильным ХЛ сигнал в течение длительного времени. Показано, что использование микрофлюидного чипа существенно позволяет сократить объем образца с перекисью водорода (H2O2) и гипохлоритом натрия (NaClO).To demonstrate the possibility of detecting ROS by the proposed device, the kinetics of the CL reaction of luminol with a metasurface of metal nanoparticles was recorded upon activation by hydrogen peroxide molecules (Fig. 5 a, b) and sodium hypochlorite (Fig. 6) with different concentrations. As can be seen from FIG. 5a, the CL intensity begins to increase sharply with time, and then sharply decreases to a stationary level. To assess the level of oxidative stress caused by the presence of hydrogen peroxide, it is advisable to evaluate this indicator according to three criteria. The first criterion considers the estimate of the ratio of the intensity maxima of the studied and reference samples during the first bright flash, for example, in the region of 40 s on all graphs of the CL kinetics in Fig. 5a. The second criterion considers the estimation of the ratios of the mean values of the CL intensity of the test and reference samples upon reaching the steady state after a sharp flash. The last evaluation criterion involves comparing the average value of the area under the CL reaction curve with the average value of the area under the curve for the reference sample for the same time intervals. From FIG. It is also seen in Fig. 5a that the CL device, with a signal accumulation time of 100 ms, makes it possible to detect the presence of hydrogen peroxide molecules up to 0.3 ng/mL. Of course, the achievement of better CL kinetics can also be achieved by increasing the CL signal accumulation time, which is confirmed at an accumulation time of 10000 ms and at the previously used hydrogen peroxide concentration (0.3 ng/mL) (Fig. 5b). In order to confirm the possibility of detecting other types of reactive oxygen species, an aqueous solution of sodium hypochlorite with different concentrations was used, as indicated in FIG. 6. It has been demonstrated that the CL device is capable of detecting hypochlorite content in a sample up to 2.5 ng/mL. The volume of used mixed solutions in one channel did not exceed 250 µl. Thus, the CL performance of the luminol CL detection device was demonstrated using the example of detection of ROS (hydrogen peroxide and hypochlorite). The advantage of using a metasurface of metal nanoparticles embedded in a microfluidic chip was also demonstrated, which not only increases the sensitivity of ROS detection, but is also characterized by good stability on the surface of a dielectric substrate in contact with an alkaline solution of luminol. Repeated use of a microfluidic chip with a metasurface is confirmed by a stable CL signal for a long time. It is shown that the use of a microfluidic chip can significantly reduce the volume of a sample with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and sodium hypochlorite (NaClO).

Пример 3.Example 3

Результат работы предлагаемого устройства показан на Фиг. 7, где приведены три графика, отображающие кинетики ХЛ реакции люминола с серебряными наночастицами при активации NaClO различной концентрации (см. таблицу 1).The result of the proposed device is shown in Fig. 7, which shows three graphs showing the CL kinetics of the reaction of luminol with silver nanoparticles upon activation of NaClO of various concentrations (see table 1).

Таблица 1. Концентрации гипохлорита натрия (NaClO) в растворе.Table 1. Concentrations of sodium hypochlorite (NaClO) in solution. КаналChannel Концентрация NaClONaClO concentration C1C1 5 мкг/мл5 µg/ml C2C2 1 мкг/мл1 µg/ml C3C3 0.5 мкг/мл0.5 µg/ml C4C4 25 нг/мл25 ng/ml C5C5 50 нг/мл50 ng/ml

В отсутствие напряжения на вращателе поляризации 12 плоскость поляризации падающего ХЛ излучения поворачивалась на 90°, что обеспечивало прохождение ХЛ излучения Канала 1 на фотоприемник 15 и, в то же время, блокировало излучение из Канала 2 с концентрацией NaClO отличной от концентрации в Канале 1. При подаче напряжения U~1.5 В на электрические входы вращателя поляризации 12 в виде жидкокристаллической твист-ячейки, где молекулы жидкого кристалла выстраиваются вдоль направления распространения света, поворота плоскости поляризации излучения не происходит и, в результате, на фотоприемник 15 попадает излучение Канала 2, а излучение Канала 1 блокируется. Количественный и качественный анализ содержания АФК в образцах может происходить путем сопоставление полученных данных с Канала 1 и Канала 2. При использовании микрофлюидного чипа с большим числом микроканалов поляризационные состояния ХЛ излучения исследуемых каналов должно быть одинаковым, но отличным от поляризации излучения референтного канала. Многочисленные эксперименты показали, что переключение излучения ХЛ отклика с референтного и анализируемых образцах может быть осуществлено с частотой от 0.5 Гц до 500 Гц. В данной конфигурации при установлении времени накоплении 10 мс, как видно на Фиг. 7 заметить стабильный переменный ХЛ сигнал, варьирующийся с различной частотой. В случае применения устройства в реальных условиях время до получения первичного результата/диагноза о степени содержания АФК будет существенно сокращено. Исходя из экспериментальных данных о времени регистрации кинетики ХЛ реакции двух образцов с различной концентрацией NaClO, которое составило порядка 70 секунд. В отличие от традиционных устройств для ХЛ анализа, устройство является крайне компактным и мобильным, что подтверждается его габаритами Фиг.8, где в центре расположен светонепроницаемый корпус с ключевыми компонентами устройства, описанными ранее, а с противоположных сторон размещены инфузионный насос, генератор управляющих импульсов напряжения и емкость для сбора отработанных материалов.In the absence of voltage on the polarization rotator 12, the plane of polarization of the incident CL radiation rotated by 90°, which ensured the passage of the CL radiation from Channel 1 to the photodetector 15 and, at the same time, blocked the radiation from Channel 2 with the NaClO concentration different from the concentration in Channel 1. At voltage U ~ 1.5 V is applied to the electrical inputs of the polarization rotator 12 in the form of a liquid crystal twist cell, where the liquid crystal molecules are aligned along the direction of light propagation, the rotation of the polarization plane of the radiation does not occur and, as a result, the radiation of Channel 2 falls on the photodetector 15, and the radiation Channel 1 is blocked. Quantitative and qualitative analysis of the content of ROS in samples can be performed by comparing the obtained data from Channel 1 and Channel 2. When using a microfluidic chip with a large number of microchannels, the polarization states of the CL radiation of the studied channels should be the same, but different from the polarization of the radiation of the reference channel. Numerous experiments have shown that switching of the CL response radiation from the reference and analyzed samples can be carried out with a frequency from 0.5 Hz to 500 Hz. In this configuration, when the accumulation time is set to 10 ms, as seen in FIG. 7 notice a stable variable CL signal varying with different frequencies. If the device is used in real conditions, the time to obtain the primary result / diagnosis of the degree of ROS content will be significantly reduced. Based on the experimental data on the registration time of the CL kinetics of the reaction of two samples with different concentrations of NaClO, which was about 70 seconds. Unlike traditional devices for CL analysis, the device is extremely compact and mobile, which is confirmed by its dimensions Fig.8, where in the center there is an opaque housing with the key components of the device described earlier, and on opposite sides there is an infusion pump, a generator of control voltage pulses and a container for collecting waste materials.

Таким образом, регистрация ХЛ откликов от различного рода АФК демонстрирует работоспособность ХЛ устройства при регистрации ХЛ сигнала поочередно с двух каналов за счет поляризации их излучений переключения фотоприемника на регистрацию излучения от референтного или анализируемого образца с заданной частотой. Использование кодирования сигналов референтного и анализируемого образцов с помощью поляризации излучения позволяет не только сократить время измерения, но и избавиться от движущихся деталей, (например, оптомеханических систем перемещения и вращения), что упрощает использование прибора и повышает надёжность его работы. Оптическая схема позволяет переключать фотоприёмник излучения между измерениями интенсивности ХЛ и кинетики реакции в референтном и анализируемом образцах с варьируемой частотой, что позволяет избавиться от низкочастотных помех и выделить на их фоне полезный сигнал.Thus, the registration of CL responses from various types of ROS demonstrates the operability of the CL device when registering a CL signal alternately from two channels due to the polarization of their radiation by switching the photodetector to registration of radiation from a reference or analyzed sample at a given frequency. The use of encoding the signals of the reference and analyzed samples using radiation polarization allows not only to reduce the measurement time, but also to get rid of moving parts (for example, optomechanical systems of movement and rotation), which simplifies the use of the device and increases the reliability of its operation. The optical scheme makes it possible to switch the radiation photodetector between measurements of the CL intensity and reaction kinetics in the reference and analyzed samples with a variable frequency, which makes it possible to get rid of low-frequency noise and highlight the useful signal against their background.

Claims (2)

1. Устройство для хемилюминесцентного анализа содержания активных форм кислорода в биологических и иных пробах, содержащее насос для ввода с помощью трубок жидких реактивов из емкостей с хемилюминофором и исследуемыми пробами в микрофлюидный чип, выход которого связан трубкой с емкостью для слива, и фотоприемник, отличающееся тем, что микрофлюидный чип и фотоприемник помещены в светонепроницаемый корпус, причем микрофлюидный чип выполнен по меньшей мере двухканальным и содержит диэлектрическую подложку с нанесенной на нее метаповерхностью из обработанных лазерным излучением металлических наночастиц, обладающих локализованным плазмонным резонансом в спектральной полосе хемилюминесценции используемого хемилюминофора, а в светонепроницаемый корпус также включены два линейных взаимно-ортогонально ориентированных поляризатора, наложенных на различные каналы микрофлюидного чипа, расположенные друг за другом по ходу распространения излучения вращатель поляризации и установленный непосредственно перед входом фотоприемника третий линейный поляризатор излучения, совпадающий по ориентации с одним из линейных поляризаторов, наложенных на микрофлюидный чип. 1. A device for chemiluminescent analysis of the content of reactive oxygen species in biological and other samples, containing a pump for introducing liquid reagents from containers with a chemiluminophore and test samples into a microfluidic chip using tubes, the output of which is connected by a tube to a drain container, and a photodetector, characterized in that that the microfluidic chip and the photodetector are placed in an opaque housing, and the microfluidic chip is made at least two-channel and contains a dielectric substrate with a metasurface deposited on it from laser-treated metal nanoparticles having a localized plasmon resonance in the chemiluminescence spectral band of the chemiluminophor used, and in an opaque housing two linear mutually orthogonally oriented polarizers are also included, superimposed on different channels of the microfluidic chip, located one after another along the radiation propagation direction, and a polarization rotator installed directly but before the input of the photodetector there is a third linear polarizer of radiation, coinciding in orientation with one of the linear polarizers superimposed on the microfluidic chip. 2. Устройство для хемилюминесцентного анализа содержания активных форм кислорода в биологических и иных пробах по п. 1, отличающееся тем, что вращатель поляризации выполнен в виде жидкокристаллической твист-ячейки, электрические входы которой подключены к выходам генератора управляющих импульсов напряжения, а фотоприемник выполнен с функцией счета фотонов.2. A device for chemiluminescent analysis of the content of reactive oxygen species in biological and other samples according to claim 1, characterized in that the polarization rotator is made in the form of a liquid crystal twist cell, the electrical inputs of which are connected to the outputs of the generator of control voltage pulses, and the photodetector is made with the function photon counts.
RU2021138950A 2021-12-27 Chemiluminescent analysis device RU2781351C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2781351C1 true RU2781351C1 (en) 2022-10-11

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2452937C1 (en) * 2011-02-15 2012-06-10 Яков Тимофеевич Шатров Apparatus for analysing chemi- and bioluminescence of liquid media
RU162866U1 (en) * 2015-12-30 2016-06-27 Павел Николаевич Пилипенко DEVICE FOR EXPRESS DETERMINATION OF THE CONCENTRATION OF ACTIVE OXYGEN FORMS IN AQUEOUS SOLUTIONS
RU180961U1 (en) * 2017-08-14 2018-07-02 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" LUMINOMETER
CN212780531U (en) * 2020-09-01 2021-03-23 清华大学 Micro-fluidic chemiluminescence detection device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2452937C1 (en) * 2011-02-15 2012-06-10 Яков Тимофеевич Шатров Apparatus for analysing chemi- and bioluminescence of liquid media
RU162866U1 (en) * 2015-12-30 2016-06-27 Павел Николаевич Пилипенко DEVICE FOR EXPRESS DETERMINATION OF THE CONCENTRATION OF ACTIVE OXYGEN FORMS IN AQUEOUS SOLUTIONS
RU180961U1 (en) * 2017-08-14 2018-07-02 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" LUMINOMETER
CN212780531U (en) * 2020-09-01 2021-03-23 清华大学 Micro-fluidic chemiluminescence detection device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kostov et al. Low-cost optical instrumentation for biomedical measurements
TWI746719B (en) Device for inspecting microorganism
EP2889365B1 (en) Method for examining microorganism and device for same
US10078215B2 (en) Shutter assembly for a luminescence-based sample analyzer
US11061019B2 (en) High sensitivity optical detection system
Fereja et al. Highly sensitive and selective non-enzymatic glucose detection based on indigo carmine/hemin/H 2 O 2 chemiluminescence
Lertvachirapaiboon et al. Optical sensing platform for the colorimetric determination of silver nanoprisms and its application for hydrogen peroxide and glucose detections using a mobile device camera
RU2781351C1 (en) Chemiluminescent analysis device
US6241948B1 (en) Sensing device with sol-gel derived film on the light source
JP6201285B2 (en) Microorganism testing method and apparatus
WO2021208366A1 (en) Reactive oxygen species content automatic detection system suitable for cell microenvironment
EP2565629B1 (en) Automatic analyzer
CN107121421A (en) Portable range estimation luminoscope and method for heavy metal ion in Site Detection water sample
KR20120138575A (en) An analytical method of a biochemical analyte using a chemiluminescent analytical chip placed in a spectrofluorometer
CN212410450U (en) Active oxygen content automatic detection system suitable for cell microenvironment
CN212780522U (en) Portable water quality analyzer for soluble organic matters and turbidity
Zhang et al. A Calcium Measurement System Potentially Suitable for At-Home Monitoring
WO2021039208A1 (en) Apparatus for detecting microorganism and method therefor
US20170212048A1 (en) Analyte sensing system and method utilizing separate equilibrium and measurement chambers
Irawan et al. Integration of a fluorescence detection system and a laminate‐based disposable microfluidic chip
Geddes et al. A compact optical flow cell for use in aqueous halide determination
CN206258378U (en) A kind of light path detecting device of the time resolution detector based on LED cold light sources
Qi et al. Integrated LED-induced fluorescence correlation spectroscopy module for lucigenin concentration detection
CN115901721A (en) SERS-photoelectrochemistry dual-mode sensor for detecting enrofloxacin and preparation method and application thereof
TW201028684A (en) Portable ion density detection apparatus