RU2797775C1 - Method for using an integrating sphere for photometric registration of de novo formation of biogenic metal nanoparticles - Google Patents
Method for using an integrating sphere for photometric registration of de novo formation of biogenic metal nanoparticles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2797775C1 RU2797775C1 RU2022129245A RU2022129245A RU2797775C1 RU 2797775 C1 RU2797775 C1 RU 2797775C1 RU 2022129245 A RU2022129245 A RU 2022129245A RU 2022129245 A RU2022129245 A RU 2022129245A RU 2797775 C1 RU2797775 C1 RU 2797775C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- integrating sphere
- nanoparticles
- sample
- biogenic
- spectral characteristics
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для быстрой сравнительной оценки метаболической активности клеток на основании регистрации параметров формирования ими наночастиц металлов. Задачей изобретения является повышение чувствительности фотометрической регистрации и оценки параметров биогенных наночастиц металлов, формируемых in situ живыми клетками при их контакте с вносимым непосредственно в их суспензию раствором соли как источником катионов. Для повышения чувствительности при регистрации параметров формирующихся биогенных наночастиц металлов источник «белого» светового потока интегрирующей сферы дополнен системой волоконно-оптического подведения световых потоков и модулем регуляции светового потока, имеющего нескольких фиксированных длин волн, соответствующих возбуждающему воздействию для флюоресценции наночастиц металла определённого состава. Назначением и техническим результатом использования интегрирующей сферы является повышение точности оценки метаболической активности исследуемых биологических объектов на основании регистрации параметров динамики формирования наночастиц металлов непосредственно в пробах, содержащих исследуемые клетки. Техническим результатом является также возможность проведения измерений биогенных наночастиц в капле реакционной смеси или в луночном планшете.The invention relates to optical instrumentation and is intended for a quick comparative assessment of the metabolic activity of cells based on the registration of parameters for the formation of metal nanoparticles by them. The objective of the invention is to increase the sensitivity of photometric registration and evaluation of the parameters of biogenic metal nanoparticles formed in situ by living cells upon contact with a salt solution introduced directly into their suspension as a source of cations. To increase the sensitivity when recording the parameters of the emerging biogenic metal nanoparticles, the source of the “white” light flux of the integrating sphere is supplemented with a system of fiber-optic supply of light fluxes and a module for regulating the light flux, which has several fixed wavelengths corresponding to the exciting effect for the fluorescence of metal nanoparticles of a certain composition. The purpose and technical result of using the integrating sphere is to increase the accuracy of assessing the metabolic activity of the studied biological objects based on the registration of the parameters of the dynamics of the formation of metal nanoparticles directly in the samples containing the studied cells. The technical result is also the possibility of measuring biogenic nanoparticles in a drop of the reaction mixture or in a well plate.
В современной экспериментальной науке и многих областях биотехнологии постоянно расширяется спектр направлений применения наночастиц металлов. Известна природная способность метаболически активных клеток восстанавливать катионы и формировать in situ сначала нанокластеры нуль-валентных атомов, а затем и более крупные наночастицы соответствующих металлов. Метод, основанный на этом свойстве метаболически активных клеток, даёт возможность контролировать присутствие жизнеспособных микроорганизмов и даже спор или вирусных частиц в различных растворах и жидких средах, то есть контролировать их контаминацию. Показано, что скорость формирования de novo и укрупнения биогенных наночастиц металлов повышается с повышением уровня физиологической активности культур микроорганизмов, а также отражает состояние микробных сообществ и клеток высших организмов. Данный аналитический подход основан на точном знании того, что линейные размеры биогенных наночастиц металлов, формирующихся de novo в присутствии клеток из восстановленных катионов путём самосборки нуль-валентных атомов, пропорциональны метаболической восстановительной активности живых клеток [Zhou et al., 2013, Сорокин с соавт., 2013, Skladnev et al., 2020]. В стерильных средах восстановление внесённых катионов к формированию наночастиц не приводит. In modern experimental science and many areas of biotechnology, the range of applications of metal nanoparticles is constantly expanding. The natural ability of metabolically active cells to reduce cations and form in situ , first, nanoclusters of zero-valent atoms, and then larger nanoparticles of the corresponding metals, is known. The method based on this property of metabolically active cells makes it possible to control the presence of viable microorganisms and even spores or viral particles in various solutions and liquid media, that is, to control their contamination. It has been shown that the rate of de novo formation and coarsening of biogenic metal nanoparticles increases with an increase in the level of physiological activity of microorganism cultures, and also reflects the state of microbial communities and cells of higher organisms. This analytical approach is based on the exact knowledge that the linear dimensions of biogenic metal nanoparticles formed de novo in the presence of cells from reduced cations by self-assembly of null-valent atoms are proportional to the metabolic reducing activity of living cells [Zhou et al., 2013, Sorokin et al. , 2013, Skladnev et al., 2020]. In sterile media, the reduction of introduced cations does not lead to the formation of nanoparticles.
Предлагаемое изобретение повышает эффективность фотометрической регистрации и оценки параметров формирующихся de novo биогенных наночастиц металлов, что позволяет оценивать уровень метаболической активности клеток в практически значимых областях биотехнологии, экологии и медицины.The present invention improves the efficiency of photometric registration and evaluation of the parameters of biogenic metal nanoparticles formed de novo , which makes it possible to assess the level of metabolic activity of cells in practically significant areas of biotechnology, ecology and medicine.
В настоящее время в качестве общепринятой системы контроля контаминации для стерильных растворов фармацевтических, медицинских и биологических препаратов, субстанций и других стерильных материалов, в соответствии с правилами национальных стандартов применяют метод прямого высева на индикаторные среды (ГФ РФ XII ОФС 42-0066-07, USP37 - NF 32, R 2014, E P, 8th ed., JP 15th ed.). О стерильности исследуемой жидкости, согласно этим документам, судят по отсутствию роста микроорганизмов при контрольных посевах на специальных индикаторных средах после инкубации в оптимальных условиях. Наиболее существенным недостатком этого метода прямого высева на твёрдые среды является длительность его проведения - не менее 14-18 дней, а также его трудоёмкость и необходимость использования многих дорогих реактивов. В последние годы для обнаружения микробной и вирусной контаминации растворов и биологических жидкостях применяют методы молекулярной диагностики, основанные на специфических реакциях отдельных маркеров биологических объектов - нуклеиновые кислоты, белки, липополисахариды мембран бактерий: RT2-PCR Array Handbook 06/2013, Способ определения бактериальной контаминации крови - Патент РФ 2208645, Способ выявления патогенных штаммов и изолятов бактерии Рasteurella multocida - Патент РФ 2477321. Такие методы существенно сокращают время проведения анализов, однако требуют использования дорогостоящих реактивов, ещё более дорогого аналитического оборудования и высокой квалификации персонала. Currently, as a generally accepted contamination control system for sterile solutions of pharmaceutical, medical and biological preparations, substances and other sterile materials, in accordance with the rules of national standards, the method of direct seeding on indicator media is used (GF RF XII OFS 42-0066-07, USP37 - NF 32, R 2014, EP, 8th ed., JP 15th ed.). The sterility of the test liquid, according to these documents, is judged by the absence of growth of microorganisms during control crops on special indicator media after incubation under optimal conditions. The most significant disadvantage of this method of direct seeding on solid media is the duration of its implementation - at least 14-18 days, as well as its laboriousness and the need to use many expensive reagents. In recent years, to detect microbial and viral contamination of solutions and biological fluids, molecular diagnostic methods have been used, based on specific reactions of individual markers of biological objects - nucleic acids, proteins, lipopolysaccharides of bacterial membranes: RT2-PCR Array Handbook 06/2013, Method for determining bacterial contamination of blood - RF patent 2208645, Method for detecting pathogenic strains and isolates of the bacteria Pasteurella multocida - RF patent 2477321. Such methods significantly reduce the time of analysis, but require the use of expensive reagents, even more expensive analytical equipment and highly qualified personnel.
Ранее нами был заявлен способ обнаружения контаминации жидкостей микроорганизмами и вирусными частицами, основанный на регистрации процесса формирования биогенных наночастиц металлов, формирующихся непосредственно в исследуемых образцах из продуктов восстановления катионов, искусственно внесённых в исследуемые пробы в виде стерильных растворов солей металлов (Патент РФ 2641960, 2016). В ходе реакции восстановления катионов в присутствии метаболически активных клеток доля невосстановленных катионов на поверхности биогенных нанокластеров постоянно и быстро уменьшается. Снижение поверхностного заряда минимизирует силы отталкивания формирующихся de novo нанокластеров, что способствует их самосборке и формированию всё более крупных наночастиц. Суспензии живых клеток способны за 20 минут формировать in situ наночастицы серебра диаметром 20 - 150 нм. В аналогичных условиях реакции восстановления катионов суспензии покоящихся микробных клеток, суспензии спор или вирусных частиц за то же время формируют биогенные наночастицы серебра диаметром лишь до 2 - 10 нм. В стерильных образцах ростовых сред и иных жидкостей формируются только предшественники наночастиц (нанокластеры восстановленных атомов) размером порядка 1-1,5 нм.Previously, we have declared a method for detecting contamination of liquids by microorganisms and viral particles, based on registration of the process of formation of biogenic metal nanoparticles, which are formed directly in the test samples from cation reduction products artificially introduced into the test samples in the form of sterile solutions of metal salts (RF Patent 2641960, 2016) . During the cation reduction reaction in the presence of metabolically active cells, the proportion of unreduced cations on the surface of biogenic nanoclusters constantly and rapidly decreases. A decrease in surface charge minimizes the repulsive forces of de novo formed nanoclusters, which promotes their self-assembly and the formation of ever larger nanoparticles. Suspensions of living cells are capable of forming in situ silver nanoparticles with a diameter of 20–150 nm in 20 minutes. Under similar conditions, the reaction of reduction of cations of a suspension of resting microbial cells, a suspension of spores or viral particles for the same time form biogenic silver nanoparticles with a diameter of only up to 2 - 10 nm. In sterile samples of growth media and other liquids, only precursors of nanoparticles (nanoclusters of reduced atoms) with a size of about 1–1.5 nm are formed.
Поскольку наночастицы металлов имеют кристаллическую структуру, их параметры, свойства и динамика формирования могут быть зарегистрированы бóльшим числом аналитических методов, чем подходят для регистрации присутствия клеток микроорганизмов или иных биологических объектов. Для детекции наночастиц металлов широко используют их специфические оптические свойства, обусловленные явлением поверхностного плазмонного резонанса, высокоразвитой поверхностью, высокой емкостью двойного электрического слоя, а также на способность наночастиц к усилению сигнала в рамановской, световой и флуоресцентной спектрометрии. Одной из уникальных особенностей нанокластеров многих металлов размером от 2-5 нм являются их выраженные флуоресцентные свойства. При размерах нанокластеров восстановленных атомов металлов, соизмеримых с длиной волны Ферми для электронов, из-за дискретных электронных состояний, вызванных сильным квантовым удержанием свободных электронов, проявляют супра-молекулярные свойства наночастиц. По мере увеличения размера нанокристаллических структур металлов (в процессе самосборки нанокластеров в наночастицы) соотношение поверхностных и глубинных атомов изменяется, что приводит к смещению излучения флуоресценции и даже её полному гашению [Szerencsés et al., 2020]. Нами предлагается использовать эти природные свойства флуоресценции биогенных нанокластеров и наночастиц различного размера для удобной и точной фотометрической регистрации и оценки динамики процесса их формирования de novo непосредственно в суспензиях живых клеток.Since metal nanoparticles have a crystalline structure, their parameters, properties, and formation dynamics can be recorded by a larger number of analytical methods than are suitable for registering the presence of microorganism cells or other biological objects. For the detection of metal nanoparticles, their specific optical properties are widely used, due to the phenomenon of surface plasmon resonance, highly developed surface, high capacitance of the double electric layer, as well as the ability of nanoparticles to amplify the signal in Raman, light, and fluorescence spectrometry. One of the unique features of nanoclusters of many metals ranging in size from 2-5 nm is their pronounced fluorescent properties. With the size of nanoclusters of reduced metal atoms comparable to the Fermi wavelength for electrons, due to discrete electronic states caused by strong quantum confinement of free electrons, nanoparticles exhibit supramolecular properties. As the size of metal nanocrystalline structures increases (during the self-assembly of nanoclusters into nanoparticles), the ratio of surface and deep atoms changes, which leads to a shift in fluorescence emission and even its complete quenching [Szerencsés et al., 2020]. We propose to use these natural properties of the fluorescence of biogenic nanoclusters and nanoparticles of various sizes for convenient and accurate photometric registration and assessment of the dynamics of the process of their de novo formation directly in living cell suspensions.
При измерении параметров препаратов наночастиц металлов наиболее широко применяют световую и флуоресцентную спектрометрию. Однако при исследовании биогенных наночастиц металлов, получаемых in situ с участием тех или иных биообъектов, возникают существенные искажения результатов из-за присутствия многочисленных клеток или спор в реакционной смеси. Наибольшие искажения наблюдаются в тех случаях, когда наночастицы формируются непосредственно на поверхности клеток (так называемое инкрустирование биообъекта наночастицами). Эти причины делают метод просвечивающей спектрометрии недостаточно эффективным и не позволяющим точно решать поставленные задачи.When measuring the parameters of preparations of metal nanoparticles, light and fluorescence spectrometry is most widely used. However, when studying biogenic metal nanoparticles obtained in situ with the participation of various biological objects, significant distortions of the results arise due to the presence of numerous cells or spores in the reaction mixture. The greatest distortions are observed in cases where nanoparticles are formed directly on the cell surface (the so-called encrustation of a biological object with nanoparticles). These reasons make the method of transmission spectrometry insufficiently effective and do not allow one to accurately solve the set problems.
Ранее нами было предложено использование интегрирующей сферы в качестве измерительного элемента спектрофотометра в vis-диапазоне для исследования препаратов биогенных наночастиц серебра, формирующихся in situ, по параметрам отражённого спектра [Сорокин с соавт., 2013]. В данном изобретении мы предлагаем использовать специальную интегрирующую сферу в качестве конструктивного элемента спектрофотометра для регистрации биогенных наночастиц в vis-диапазоне, а также в режиме флюоресценции непосредственно в суспензиях на фоне присутствия в реакционной смеси клеток, спор или фрагментов тканей.Previously, we proposed the use of an integrating sphere as a measuring element of a spectrophotometer in the vis range for studying preparations of biogenic silver nanoparticles formed in situ using the reflected spectrum parameters [Sorokin et al., 2013]. In this invention, we propose to use a special integrating sphere as a structural element of a spectrophotometer for recording biogenic nanoparticles in the vis range, as well as in the fluorescence mode directly in suspensions against the background of the presence of cells, spores, or tissue fragments in the reaction mixture.
Наиболее близкая к совокупности существенных признаков предлагаемому изобретению является специальная интегрирующая сфера, представляющая собой полый шар, внутренняя поверхность которого покрыта диффузно рассеивающими материалами, что позволяет получать по отражательной и пропускательной способностям наиболее точные спектральные характеристики образцов в области λ 200 - 2600 нм [Патент РФ 2251667, 2005]. Прототип относится к оптическому приборостроению и предназначен для оценки свойств светорассеивающих материалов. Недостатком прототипа является крупный шаг углублений на внутренней поверхности сферы (7 мм), несоизмеримый с длиной волны 1-5 мкм ближнего ИК-диапазона, который и обусловливает низкую степень диффузности индикатрисы отражения поверхности сферы Морриса. Кроме того, отклонения индикатрисы отражения от идеально диффузной в коротковолновой ИК-области достигают 20-60% при больших углах наблюдения. Closest to the set of essential features of the proposed invention is a special integrating sphere, which is a hollow ball, the inner surface of which is covered with diffusely scattering materials, which makes it possible to obtain the most accurate spectral characteristics of the samples in the region of λ 200 - 2600 nm in terms of reflectance and transmittance [RF Patent 2251667 , 2005]. The prototype relates to optical instrumentation and is designed to evaluate the properties of light-diffusing materials. The disadvantage of the prototype is the large pitch of the recesses on the inner surface of the sphere (7 mm), incommensurable with the wavelength of 1-5 μm in the near infrared range, which determines the low degree of diffuseness of the reflection indicatrix of the surface of the Morris sphere. In addition, deviations of the reflection indicatrix from ideally diffuse in the short-wavelength IR region reach 20-60% at large viewing angles.
Существенные преимущества предложенного изобретения в сравнении с прототипом следующие:The essential advantages of the proposed invention in comparison with the prototype are as follows:
- предложенная конструкция интегрирующей сферы позволяет проводить измерение формирующихся in situ биогенных наночастиц металлов на фоне присутствующих в реакционной смеси клеток или спор как в режиме vis-спектрометрии, так и в флуоресцентном режиме. В прототипе возможны измерения только в ИК-диапазоне;- the proposed design of the integrating sphere makes it possible to measure biogenic metal nanoparticles formed in situ against the background of cells or spores present in the reaction mixture both in the vis -spectrometry mode and in the fluorescent mode. In the prototype, measurements are possible only in the IR range;
- предложенная конструкция интегрирующей сферы позволяет удобнее проводить измерение исследуемой клеточной суспензии, находящейся непосредственно на покровном стекле отверстия интегрирующей сферы, или в луночном планшете, располагающемся напротив этого отверстия. В прототипе исследуемый образец необходимо помещать внутрь сферы;- the proposed design of the integrating sphere makes it more convenient to measure the cell suspension under study, located directly on the cover glass of the opening of the integrating sphere, or in a well plate located opposite this opening. In the prototype, the test sample must be placed inside the sphere;
- предложенная конструкция интегрирующей сферы позволяет внесение дополнительных реагентов в исследуемый образец для проведения формирования биогенных наночастиц in situ непосредственно в процессе измерения. В прототипе такая возможность не предусмотрена.- the proposed design of the integrating sphere allows the introduction of additional reagents into the test sample to carry out the formation of biogenic nanoparticles in situ directly in the measurement process. In the prototype, this possibility is not provided.
Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности фотометрического определения параметров биогенных наночастиц металлов, формирующихся in situ непосредственно в суспензии живых клеток. Предложенная конструкция интегрирующей сферы разработана для повышения чувствительности фотометрического определения уровня метаболической активности живых клеток на основании регистрации параметров биогенных наночастиц металлов, формирующихся de novo из вносимых непосредственно в суспензии исследуемых клеток стерильных растворов солей как источников катионов. Поскольку в присутствии метаболически активных клеток формирование из катионов нанокластеров нуль-валентных атомов, а затем и более крупных наночастиц происходит с большой скоростью, предлагаемая конструкция интегрирующей сферы предусматривает возможность оценивать динамику их формирования c момента внесения источника катионов.The objective of the present invention is to increase the sensitivity of the photometric determination of the parameters of biogenic metal nanoparticles formed in situ directly in a suspension of living cells. The proposed design of the integrating sphere was developed to increase the sensitivity of the photometric determination of the level of metabolic activity of living cells based on the recording of the parameters of biogenic metal nanoparticles formed de novo from sterile salt solutions introduced directly into the cell suspensions as sources of cations. Since, in the presence of metabolically active cells, the formation of nanoclusters of zero-valent atoms from cations, and then larger nanoparticles, occurs at a high rate, the proposed design of the integrating sphere provides for the possibility of evaluating the dynamics of their formation from the moment the source of cations is introduced.
Для многих металлов установлены параметры освещения, возбуждающего выраженные флуоресцентные свойства нанокластеров размером от 2-5 нм. Применение смеси растворов нескольких солей способно усилить флуоресцентные свойства нанокластеров за счёт присутствия в них восстановленных атомов разных металлов. Периодические фотометрические измерения после внесения в исследуемую суспензию клеток источника катионов позволяет определить момент, когда диаметр формирующихся de novo биогенных нанокластеров восстановленных атомов достигает размеру, соответствующему появлению флуоресценции. В случае высокой восстановительной активности исследуемой суспензии клеток процесс укрупнения нанокластеров путём их самосборки приводит к формированию всё более крупных биогенных наночастиц (от 20-50 нм до 200 нм за 20 минут реакции восстановления катионов). Детально показано, что для нанокластеров серебра частотой возбуждения флуоресценции служит поток с длиной волны λ 337 нм, для возбуждения флуоресценции нанокластеров золота поток с длиной волны λ 516 нм. Усиления флюоресценции нанокластеров можно добиться благодаря присутствию в реакционной смеси солей лантаноидов. Для крупных наночастиц некоторых металлов характерно гашение флуоресценции при достижении некоторых размеров. В случае формирования биогенных наночастиц de novo, гашение флуоресценции препарата означает, что все сформировавшиеся наночастицы превышают этот размер.For many metals, illumination parameters have been established that excite pronounced fluorescent properties of nanoclusters with a size of 2–5 nm. The use of a mixture of solutions of several salts can enhance the fluorescent properties of nanoclusters due to the presence of reduced atoms of different metals in them. Periodic photometric measurements after adding a source of cations to the cell suspension under study make it possible to determine the moment when the diameter of biogenic nanoclusters of reduced atoms formed de novo reaches a size corresponding to the appearance of fluorescence. In the case of high reducing activity of the studied cell suspension, the process of enlargement of nanoclusters by their self-assembly leads to the formation of ever larger biogenic nanoparticles (from 20–50 nm to 200 nm in 20 minutes of the cation reduction reaction). It is shown in detail that for silver nanoclusters, the fluorescence excitation frequency is a flux with a wavelength of λ 337 nm, for excitation of fluorescence of gold nanoclusters, a flux with a wavelength of λ 516 nm. The enhancement of the fluorescence of nanoclusters can be achieved due to the presence of lanthanide salts in the reaction mixture. Large nanoparticles of some metals are characterized by quenching of fluorescence upon reaching certain sizes. In the case of de novo formation of biogenic nanoparticles, fluorescence quenching of the drug means that all formed nanoparticles exceed this size.
В предложенной конструкции интегрирующей сферы предусмотрена возможность продолжения регистрации изменения размеров наночастиц в исследуемой суспензии клеток с использованием спектрометрии как в диапазоне vis-спектрометрии, так и в режиме флуоресцентной спектрометрии. Для этого интегрирующая сфера спектрометра оснащена дополнительным модулем переключения режимов светового потока (Фиг. 1. 5) от «белого» с широким спектром частот на отдельно настраиваемые специфические значения длины волны, необходимые для возбуждения флуоресценции нанокластеров восстановленных атомов тех металлов, катионы которых используются в качестве источника при формировании биогенных наночастиц. Модуль режимов светового потока позволяет регулировать общий уровень освещения исследуемого образца. Использование дополнительных светофильтров обеспечивает достижение наибольшей чувствительности измерения спектральных характеристик биогенных наночастиц металлов, формирующихся непосредственно в суспензии живых клеток. In the proposed design of the integrating sphere, it is possible to continue recording changes in the size of nanoparticles in the cell suspension under study using spectrometry both in the range of vis -spectrometry and in the fluorescence spectrometry mode. To do this, the integrating sphere of the spectrometer is equipped with an additional module for switching the light flux modes (Fig. 1. 5) from “white” with a wide frequency spectrum to separately adjustable specific wavelengths necessary to excite the fluorescence of nanoclusters of reduced atoms of those metals whose cations are used as source during the formation of biogenic nanoparticles. The module of the modes of a light stream allows to regulate the general level of illumination of the studied sample. The use of additional light filters provides the highest sensitivity for measuring the spectral characteristics of biogenic metal nanoparticles formed directly in a suspension of living cells.
Предложенная конструкция предусматривает удобное размещение исследуемого образца напротив специального отверстия интегрирующей сферы. В заявляемой конструкции интегрирующая сфера располагается таким образом, чтобы отверстие для исследуемого образца (Фиг.1, 1) находится сверху в горизонтальном положении. Такая ориентация отверстия для размещения исследуемого образца позволяет наносить исследуемую суспензию клеток на прозрачное покровное стекло, закрывающее это отверстие (Фиг. 1. А). Второй вариант предусматривает проведение реакции восстановления катионов живыми клетками в лунках планшетов того или иного стандартного типа (Фиг. 1. Б). В обоих случаях предложенная конструкция позволяет внесение стерильных растворов источников катионов (для начала реакции восстановления) непосредственно в исследуемую клеточную суспензию с последующим периодическим повторением измерений. The proposed design provides for convenient placement of the test sample opposite a special hole in the integrating sphere. In the proposed design, the integrating sphere is located in such a way that the hole for the test sample (Fig.1, 1) is on top in a horizontal position. This orientation of the hole for placing the test sample allows you to apply the cell suspension under study on a transparent cover glass that covers this hole (Fig. 1. A). The second option involves carrying out the reaction of cation reduction by living cells in the wells of tablets of one or another standard type (Fig. 1. B). In both cases, the proposed design allows the introduction of sterile solutions of cation sources (to start the reduction reaction) directly into the cell suspension under study, followed by periodic repetition of measurements.
На Фиг. 1. представлено устройство интегрирующей сферы для регистрации спектров биогенных нанокластеров и наночастиц в vis-диапазоне и в режимах флуоресцентной спектрометрии. Показана схема для измерения непосредственно в капле клеточной суспензии (А), или в лунке планшета (Б). Отверстие в интегрирующей сфере для помещения исследуемого образца 1, датчик измерения характеристик отражённого светового потока 2, источник светового потока 3, образец исследуемой суспензии 4, модуль переключения режимов светового потока 5, светофильтр 6.On FIG. Figure 1 shows an integrating sphere device for recording the spectra of biogenic nanoclusters and nanoparticles in the vis range and in fluorescence spectrometry modes. Shown is a scheme for measuring directly in a drop of cell suspension (A), or in a well of a plate (B). A hole in the integrating sphere for placing the
Пример 1Example 1
Исследуемую суспензию клеток помещают на прозрачное покровное стекло, закрывающее отверстие интегрирующей сферы (Фиг. 1 А). Проводят регистрацию спектральных характеристик в диапазоне vis-спектрометрии для контрольного определения параметров исследуемой суспензии клеток в исходный момент эксперимента (для подтверждения отсутствия в ней наночастиц металлов). В исследуемую суспензию клеток вносят источник катионов в виде аликвоты стерильного раствора соли как источника катионов. Проводят повторную регистрацию спектральных характеристик суспензии клеток в диапазоне vis-спектрометрии для контрольного подтверждения отсутствия наночастиц металлов во внесённой аликвоте источника катионов. Продолжают через необходимые интервалы времени проведение повторных измерений спектральных характеристик образца в диапазоне около специфической длины волны наночастиц используемого металла для регистрации параметров биогенных наночастиц, формирующихся in situ в исследуемой суспензии клеток (Фиг. 2).The cell suspension under study is placed on a transparent coverslip covering the opening of the integrating sphere (Fig. 1A). Spectral characteristics are registered in the range of vis spectrometry for the control determination of the parameters of the studied cell suspension at the initial moment of the experiment (to confirm the absence of metal nanoparticles in it). A source of cations in the form of an aliquot of a sterile saline solution as a source of cations is introduced into the cell suspension under study. The spectral characteristics of the cell suspension are re-registered in the range of vis -spectrometry for control confirmation of the absence of metal nanoparticles in the added aliquot of the cation source. Repeat measurements of the spectral characteristics of the sample are continued at the required time intervals in the range near the specific wavelength of the nanoparticles of the metal used to record the parameters of the biogenic nanoparticles formed in situ in the cell suspension under study (Fig. 2).
На Фиг. 2. представлено изменение специфического спектра наночастиц серебра, формирующихся за 40 минут в образце клеточной суспензии бактерий. On FIG. 2. shows the change in the specific spectrum of silver nanoparticles formed in 40 minutes in a sample of bacterial cell suspension.
Пример 2Example 2
В отдельные лунки многолуночного планшета помещают суспензии клеток, для которых необходимо определить уровень восстановительной активности в отношении катионов. Многолуночный планшет располагают напротив отверстия интегрирующей сферы для исследуемого образца. Проводят регистрацию спектральных характеристик образцов (в диапазоне vis-спектрометрии и в режиме флуоресцентной спектрометрии) для контрольного определения параметров, подтверждающего отсутствие наночастиц металлов в исходный момент эксперимента. Источники катионов вносят в каждый из исследуемых образцов в виде стерильного раствора солей. Возможность перемещения планшетов обеспечивает последовательные циклические повторные измерения спектральных характеристик каждого из исследуемых вариантов образцов через фиксированные промежутки времени. Определяют продолжительности реакции восстановления использованных катионов, необходимого для формирования флуоресцирующих биогенных нанокластеров восстановленных атомов, а также время, соответствующее полному гашению флюоресценции наночастиц.In separate wells of a multiwell plate, cell suspensions are placed, for which it is necessary to determine the level of reducing activity in relation to cations. The multiwell plate is placed opposite the opening of the integrating sphere for the test sample. The spectral characteristics of the samples are recorded (in the range of vis -spectrometry and in the fluorescence spectrometry mode) for the control determination of parameters, confirming the absence of metal nanoparticles at the initial moment of the experiment. Sources of cations are introduced into each of the test samples in the form of a sterile salt solution. The ability to move the plates provides successive cyclic re-measurements of the spectral characteristics of each of the investigated variants of the samples at fixed time intervals. The duration of the reduction reaction of the used cations is determined, which is necessary for the formation of fluorescent biogenic nanoclusters of reduced atoms, as well as the time corresponding to the complete quenching of the fluorescence of the nanoparticles.
Пример 3Example 3
Исследуемые суспензии природных водных проб помещают в отдельные лунки многолуночного планшета. Располагают планшет напротив отверстия интегрирующей сферы для исследуемого образца. Проводят регистрацию спектральных характеристик исследуемых суспензий клеток микробных сообществ (в диапазоне vis-спектрометрии и в режиме флуоресцентной спектрометрии) для контрольного определения параметров, подтверждающего отсутствие наночастиц металлов в исходный момент эксперимента. Источники катионов вносят в каждый из исследуемых образцов в виде стерильного раствора солей. Проводят повторную регистрацию спектральных характеристик исследуемых суспензий клеток для контрольного подтверждения отсутствия наночастиц во внесённой аликвоте источника катионов. Продолжают через каждые 3 минуты проведение повторных измерений спектральных характеристик образца (в диапазоне vis-спектрометрии и в режиме флуоресцентной спектрометрии). Определяют продолжительности реакции восстановления использованных катионов, необходимого для формирования флуоресцирующих биогенных нанокластеров восстановленных атомов, что соответствует их размеру от 5 нм. На основании полученных результатов спектральных характеристик при специфических значениях длин волн λ наночастиц металлов оценивают уровень активности сравниваемых препаратов клеток в отношении использованных катионов. The studied suspensions of natural aqueous samples are placed in separate wells of a multiwell plate. Place the plate opposite the opening of the integrating sphere for the test sample. The spectral characteristics of the studied cell suspensions of microbial communities are recorded (in the range of vis -spectrometry and in the fluorescence spectrometry mode) for the control determination of parameters, confirming the absence of metal nanoparticles at the initial moment of the experiment. Sources of cations are introduced into each of the test samples in the form of a sterile salt solution. The spectral characteristics of the studied cell suspensions are re-registered for control confirmation of the absence of nanoparticles in the introduced aliquot of the cation source. Repeat measurements of the spectral characteristics of the sample are continued every 3 minutes (in the range of vis spectrometry and in the fluorescence spectrometry mode). The duration of the reduction reaction of the used cations is determined, which is necessary for the formation of fluorescent biogenic nanoclusters of reduced atoms, which corresponds to their size from 5 nm. Based on the obtained results of spectral characteristics at specific wavelengths λ of metal nanoparticles, the level of activity of the compared cell preparations in relation to the used cations is estimated.
Пример 4Example 4
В лунки многолуночного планшета вносят по 100-150 мкл стерильных растворов солей в качестве источников катионов - субстратов для формирования наночастиц. Многолуночный планшет располагают напротив отверстия интегрирующей сферы для исследуемого образца с возможностью его перемещения для последовательной регистрации спектральных характеристик в каждой из лунок. Проводят регистрацию спектральных характеристик каждого из образцов (в диапазоне vis-спектрометрии и в режимах флуоресцентной спектрометрии соответствующих использованным источникам катионов) для контрольного определения параметров, подтверждающего отсутствие наночастиц металлов в исходный момент эксперимента. В отдельные лунки помещают препараты опухолевых или нормальных (контрольных) тканей, для которых необходимо определить уровень восстановительной активности в отношении катионов, используемых в эксперименте (Фиг. 3). Продолжают проведение повторных измерений спектральных характеристик каждого из исследуемых вариантов образцов. На основании полученных результатов спектральных характеристик сформировавшихся наночастиц оценивают уровень восстановительной активности сравниваемых препаратов клеток в отношении использованных катионов.100-150 μl of sterile salt solutions are added to the wells of a multiwell plate as sources of cations - substrates for the formation of nanoparticles. The multiwell plate is placed opposite the opening of the integrating sphere for the test sample with the possibility of moving it for successive registration of spectral characteristics in each of the wells. The spectral characteristics of each of the samples are recorded (in the range of vis spectrometry and in the modes of fluorescence spectrometry corresponding to the used cation sources) for the control determination of parameters, confirming the absence of metal nanoparticles at the initial moment of the experiment. Preparations of tumor or normal (control) tissues are placed in separate wells, for which it is necessary to determine the level of reducing activity in relation to the cations used in the experiment (Fig. 3). Repeated measurements of the spectral characteristics of each of the studied variants of the samples are continued. Based on the obtained results of the spectral characteristics of the formed nanoparticles, the level of reducing activity of the compared cell preparations in relation to the used cations is estimated.
На Фиг. 3. Представлено измерение с использованием интегрирующей сферы поглощения наночастиц серебра (при λ 400 нм), формирующихся в реакционных смесях, содержащих опухолевые или нормальные клетки.On FIG. 3. Measurement using an integrating sphere of absorption of silver nanoparticles (at λ 400 nm) formed in reaction mixtures containing tumor or normal cells is presented.
Источники информацииInformation sources
1. Ильясов С.Г. Интегрирующая сфера для инфракрасной области спектра. Патент РФ 2251667, 2005. 1. Ilyasov S.G. Integrating sphere for the infrared region of the spectrum. Patent RF 2251667, 2005.
2. Складнев Д.А., Сорокин В.В., Кураков В.В. Способ обнаружения микробной и вирусной контаминации растворов. Патент РФ № 2641960, 2016.2. Skladnev D.A., Sorokin V.V., Kurakov V.V. Method for detecting microbial and viral contamination of solutions. RF patent No. 2641960, 2016.
3. Morris J.C., Integrating Sphere to the Infrared. Applied Optics, 1966, 5(6), 1035-1037.3. Morris J.C., Integrating Sphere to the Infrared. Applied Optics, 1966, 5(6), 1035-1037.
4. Zhou, Y., Wang, H., Lin, W., Lin, L., Gao, Y., Yang, F., Du, M., Fang, W., Huang, J., Sun, D., Li, Q. (2013). Quantitative nucleation and growth kinetics of gold nanoparticles via model-assisted dynamic spectroscopic approach. J. Colloid Interface Sci., 407, 8-16.4. Zhou, Y., Wang, H., Lin, W., Lin, L., Gao, Y., Yang, F., Du, M., Fang, W., Huang, J., Sun, D ., Li, Q. (2013). Quantitative nucleation and growth kinetics of gold nanoparticles via model-assisted dynamic spectroscopic approach. J. Colloid Interface Sci., 407, 8-16.
5. Sorokin, V.V., Skladnev, D.A., Volkov, V.V., Tereshchenko, E.Y., Mulyukin, A.L., Gal'chenko, V.F. The pathways of silver nanoparticles formation by Mycobacterium smegmatis. Dokl. Biol. Sci., 2013, 452, 325-328.5. Sorokin, VV, Skladnev, DA, Volkov, VV, Tereshchenko, EY, Mulyukin, AL, Gal'chenko, VF The pathways of silver nanoparticles formation by Mycobacterium smegmatis . Dokl. Biol. Sci., 2013, 452, 325-328.
6. Skladnev D.A., Vasilyeva L.V., Berestovskaya Yu.Yu., Kotsyurbenko O.R., Kalenov S.V., Sorokin V.V. Detection of microorganisms in low-temperature water environments by in situ generation of biogenic nanoparticles. Front. Astron. Space Sci., 2020, 7:59.6. Skladnev D.A., Vasilyeva L.V., Berestovskaya Yu.Yu., Kotsyurbenko O.R., Kalenov S.V., Sorokin V.V. Detection of microorganisms in low-temperature water environments by in situ generation of biogenic nanoparticles. front. Astron. Space Science, 2020, 7:59.
7. Szerencsés B., Igaz N., Tóbiás Á., Prucsi Z., Rónavári A., Bélteky P., Dániel, Papp C., Makra I., Vágvölgyi C., Kónya Z., Pfeiffer I., Kiricsi M. Size-dependent activity of silver nanoparticles on the morphological switch and biofilm formation of opportunistic pathogenic yeasts. BMC Microbiol., 2020, 20, 176. Published online 2020 Jun 22. doi: 10.1186/s12866-020-01858-9.7. Szerencsés B., Igaz N., Tóbiás Á., Prucsi Z., Rónavári A., Belteky P., Dániel, Papp C., Makra I., Vágvölgyi C., Kónya Z., Pfeiffer I., Kiricsi M Size-dependent activity of silver nanoparticles on the morphological switch and biofilm formation of opportunistic pathogenic yeasts. BMC Microbiol., 2020, 20, 176. Published online 2020 Jun 22. doi: 10.1186/s12866-020-01858-9.
Claims (5)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2797775C1 true RU2797775C1 (en) | 2023-06-08 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU222535U1 (en) * | 2023-09-28 | 2024-01-09 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | INTEGRATING SPHERE |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996037761A1 (en) * | 1995-05-26 | 1996-11-28 | Lxr Biotechnology Inc. | Multi-channel acquisition using integrating sphere |
US7535559B2 (en) * | 2004-09-17 | 2009-05-19 | Japan Science And Technology Agency | Object digitizing device using integrating sphere wave source |
RU2586938C1 (en) * | 2014-12-03 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский государственный университет" (КемГУ) | Method of determining optical properties of nanoparticles |
RU2641960C2 (en) * | 2013-12-16 | 2018-01-23 | Дмитрий Анатольевич Складнев | Method for detecting microbial and viral contamination of solutions and biological fluids |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996037761A1 (en) * | 1995-05-26 | 1996-11-28 | Lxr Biotechnology Inc. | Multi-channel acquisition using integrating sphere |
US7535559B2 (en) * | 2004-09-17 | 2009-05-19 | Japan Science And Technology Agency | Object digitizing device using integrating sphere wave source |
RU2641960C2 (en) * | 2013-12-16 | 2018-01-23 | Дмитрий Анатольевич Складнев | Method for detecting microbial and viral contamination of solutions and biological fluids |
RU2586938C1 (en) * | 2014-12-03 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский государственный университет" (КемГУ) | Method of determining optical properties of nanoparticles |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU222535U1 (en) * | 2023-09-28 | 2024-01-09 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | INTEGRATING SPHERE |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yu et al. | A novel optical fiber glucose biosensor based on carbon quantum dots-glucose oxidase/cellulose acetate complex sensitive film | |
US5340747A (en) | Diagnostic microbiological testing apparatus and method | |
Orsini et al. | FT-IR microspectroscopy for microbiological studies | |
EP2318139B1 (en) | Method for detection and characterization of a microorganism in a blood sample | |
Hu et al. | H2O2-sensitive quantum dots for the label-free detection of glucose | |
US7956328B2 (en) | System, device, and methods for real-time screening of live cells, biomarkers, and chemical signatures | |
EP1539986B1 (en) | Detection of biological molecules by differential partitioning of enzyme substrates and products | |
US9410970B2 (en) | Cellarium: thin-film sensor with microarray seal | |
US20150253333A1 (en) | Cellarium: glucose, ph, and oxygen triple sensor | |
Szeghalmi et al. | Time fluctuations and imaging in the SERS spectra of fungal hypha grown on nanostructured substrates | |
Steinwedel et al. | Sensors for disposable bioreactor systems | |
CN112745287A (en) | Fluorescent probe HM and preparation method and application thereof | |
EP1816503B1 (en) | Luminescent sample imaging method | |
RU2797775C1 (en) | Method for using an integrating sphere for photometric registration of de novo formation of biogenic metal nanoparticles | |
Magrisso et al. | Fiber-optic biosensor to assess circulating phagocyte activity by chemiluminescence | |
Pawar et al. | Current and future technologies for monitoring cultured meat: a review | |
US20130109044A1 (en) | Quantification method for total amount of microalgal lipids by near-infrared raman spectrometry | |
Ozaki et al. | Raman spectroscopic study of cataract formation: Emory mouse cataract | |
Zhou et al. | Dual fluorescent hollow silica nanofibers for in situ pH monitoring using an optical fiber | |
CN113355387B (en) | Detection system and detection method for detecting single-cell enzyme activity in tissue | |
Soini et al. | Two-photon fluorescence excitation in detection of biomolecules | |
Kögler | Advanced Raman spectroscopy for bioprocess monitoring | |
CN111024636B (en) | Colorimetric method for detecting glutathione based on CoOOH-TMB oxidation system | |
Bai et al. | Using the enzymatic growth of nanoparticles to create a biosensor. An undergraduate quantitative analysis experiment | |
Kochubey et al. | Glucose and temperature sensitive luminescence ZnCdS nanoparticles |