WO2022164341A1 - Method for detecting antibiotics in raw milk - Google Patents

Method for detecting antibiotics in raw milk Download PDF

Info

Publication number
WO2022164341A1
WO2022164341A1 PCT/RU2021/050273 RU2021050273W WO2022164341A1 WO 2022164341 A1 WO2022164341 A1 WO 2022164341A1 RU 2021050273 W RU2021050273 W RU 2021050273W WO 2022164341 A1 WO2022164341 A1 WO 2022164341A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
antibiotics
raw milk
electrodes
milk
potentiostat
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050273
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Игорь Сан-Сенович ДЮ
Original Assignee
Игорь Сан-Сенович ДЮ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Игорь Сан-Сенович ДЮ filed Critical Игорь Сан-Сенович ДЮ
Publication of WO2022164341A1 publication Critical patent/WO2022164341A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/02Food
    • G01N33/04Dairy products

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

The invention relates to the food industry. Proposed is a method for detecting antibiotics in raw milk, which includes taking samples of raw milk; preparing a buffer solution having a pH selected from within the range of 4.0 – 8.0; applying said buffer solution to electrodes of electrochemical sensors; measuring the samples of raw milk using a sensor platform consisting of a test strip and a potentiostat, where the test strip with electrodes is an electrode array, wherein a selective layer is applied to the surface of the electrodes by chemical modification of said surface using polyelectrolytes, an aptamer is used as a selective element, and the potentiostat comprises modules for applying and removing an electrical signal and modules for converting and transmitting a signal; and processing and analysing the electrical signals obtained. The invention provides a quick and accurate method for detecting the presence of antibiotics in raw milk.

Description

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНТИБИОТИКОВ В СЫРОМ МОЛОКЕ METHOD FOR DETERMINING ANTIBIOTICS IN RAW MILK
Изобретение относится к области молочной промышленности и может быть использовано при анализе сырого молока для определения опасных для живых организмов антибиотиков, предпочтительно, непосредственно на ферме и/или ином сельскохозяйственном комплексе. The invention relates to the field of the dairy industry and can be used in the analysis of raw milk to determine antibiotics dangerous to living organisms, preferably directly on the farm and / or other agricultural complex.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ BACKGROUND OF THE INVENTION
Из уровня техники известен способ определения антибиотиков, содержащих Р- лактамный цикл, в жидкости биологического происхождения, включающий следующие стадии: приведение определенного объема указанной жидкости биологического происхождения в контакт с некоторым количеством распознающего агента и термостатирование полученной при этом смеси в условиях, в которых возможно комплексообразование антибиотиков, которые могут присутствовать в указанной биологической жидкости, с распознающим агентом; приведение смеси, полученной на стадии, в контакт с, по меньшей мере, одним эталонным антибиотиком, иммобилизованным на подложке, в условиях, которые делают возможным образование комплекса эталонного антибиотика с тем количеством распознающего агента, которое не прореагировало на первой стадии; и определенное количество распознающего агента, связанного с подложкой, по которому судят о количестве антибиотика в исследуемой жидкости, при этом распознающий агент представляет собой рецептор, чувствительный к антибиотикам, содержащим Р-лактамное кольцо, полученный из Bacillus licheniformis (RU 2213973 С2, 10.10.2003). From the prior art, a method is known for the determination of antibiotics containing the P-lactam cycle in a liquid of biological origin, which includes the following steps: bringing a certain volume of the specified liquid of biological origin into contact with a certain amount of a recognizing agent and thermostating the resulting mixture under conditions in which complex formation is possible antibiotics that may be present in said biological fluid, with a recognizing agent; bringing the mixture obtained in the step into contact with at least one reference antibiotic immobilized on the support under conditions that allow the formation of a complex of the reference antibiotic with the amount of recognition agent that did not react in the first step; and a certain amount of a recognition agent associated with the substrate, which is used to judge the amount of antibiotic in the test liquid, while the recognition agent is a receptor sensitive to antibiotics containing a P-lactam ring obtained from Bacillus licheniformis (RU 2213973 C2, 10.10.2003 ).
Известна иммунохроматографическая тест-полоска для одновременного определения наличия четырех групп антибиотиков и казеина в молоке или молочных продуктах, представляющая собой конструкцию, выполненную из подложки с последовательно закрепленными на её поверхности поочередно в ряд четырьмя мембранами, первая из которых фильтрующая мембрана для нанесения исследуемого образца, вторая из которых конъюгатная мембрана с нанесенными на её поверхность компонентами, конъюгированными с меткой и специфично связывающие антибиотики и казеин, третья из которых рабочая мембрана, поверхность которой включает контрольную область, тест-область для определения антибиотика группы Р-лактамов, тест-область для определения антибиотика группы тетрациклинов, тест-область для определения антибиотика группы стрептомицинов, тест-область для определения антибиотика группы производных левомицетина, тест-область для определения казеина, где тест-область включает конъюгат белка- носителя с определяемым антигеном, четвертая из которых адсорбирующая мембрана (RU 191660 Ш, 15.08.2019). Known immunochromatographic test strip for the simultaneous determination of the presence of four groups of antibiotics and casein in milk or dairy products, which is a design made of a substrate with four membranes sequentially fixed on its surface in a row, the first of which is a filter membrane for applying the test sample, the second of which a conjugate membrane with components applied to its surface conjugated with a label and specifically binding antibiotics and casein, the third of which is a working membrane, the surface of which includes a control area, a test area for determining an antibiotic of the P-lactam group, a test area for determination of an antibiotic of the tetracycline group, a test region for the determination of an antibiotic of the streptomycin group, a test region for the determination of an antibiotic of the group of derivatives of chloramphenicol, a test region for the determination of casein, where the test region includes a carrier protein conjugate with a detectable antigen, the fourth of which is an adsorbing membrane ( RU 191660 Sh, 15.08.2019).
Известен способ количественного определения левомицетина методом дифференциальной вольтамперометрии, заключающийся в том, что левомицетин переводят из пробы в раствор, проводят кислотный гидролиз и осаждают белок из гидролизата с последующим вольтамперометрическим определением, при этом вольтамперометрическое определение левомицетина осуществляют путем регистрации катодных пиков антибиотика на индикаторном ртутно-пленочном или стеклоуглеродном электродах в дифференциальном режиме съемки вольтамперограмм при соответствующих потенциалах -(0,67±0,05) В и -(0,60±0,03) В относительно насыщенного хлорид серебряного электрода на фонах 0,1 моль/дм3 аммония лимоннокислого двузамещенного (pH 4,7-5, 1) или 0,1 моль/дм3 (NH4)2SO4 С добавлением НС1 до pH 5,1 при скорости развертки потенциала 10-25 мВ/с, и концентрацию левомицетина определяют по высоте пика методом добавок аттестованных смесей (RU 2180748 С1 20.03.2002). A known method for the quantitative determination of levomycetin by differential voltammetry, which consists in the fact that levomycetin is transferred from the sample into solution, acid hydrolysis is carried out and the protein is precipitated from the hydrolyzate, followed by a voltammetric determination, while the voltammetric determination of chloramphenicol is carried out by registering the cathodic peaks of the antibiotic on an indicator mercury-film or glassy carbon electrodes in the differential mode of shooting voltammograms at the corresponding potentials of - (0.67 ± 0.05) V and - (0.60 ± 0.03) V relative to a saturated silver chloride electrode on backgrounds of 0.1 mol / dm 3 ammonium citrate disubstituted (pH 4.7-5, 1) or 0.1 mol / dm 3 (NH4) 2SO4 With the addition of HC1 to pH 5.1 at a potential sweep rate of 10-25 mV / s, and the concentration of chloramphenicol is determined by the peak height by the method additives of certified mixtures (RU 2180748 C1 20.03.2002).
Известно устройство для хроматографического анализа, используемое для иммуноанализов, которое позволяет проводить быстрые и удобные анализы биологически важных аналитов и выполнять необходимые экстракции in situ без использования отдельного оборудования для экстракции. Устройство обладает широким динамическим диапазоном и защищено от влияния частиц или окрашенных компонентов. В одной из форм устройство включает в себя первый противоблок, содержащий зону приготовления образца, приспособленную для получения исследуемого образца, и второй противоблок, содержащий хроматографическую среду, первый и второй противоблоки могут быть установлены друг против друга с тем, чтобы прикладыванием к хроматографической среде зоны приготовления образца перенести в нее исследуемый образец, предпочтительно, когда аналит обнаруживается с помощью визуально детектируемой метки, другие варианты устройства отличаются расположением блоков с целью обеспечения оптимальной хроматографии ряда аналитов, а также осуществления двунаправленной хроматографии; последующие варианты оказываются подходящими для проведения конкурентных иммуноанализов (RU 2124729 С1 10.01.1999). A device for chromatographic analysis used for immunoassays is known, which allows fast and convenient analyzes of biologically important analytes and perform the necessary in situ extractions without the use of separate extraction equipment. The device has a wide dynamic range and is protected from the influence of particles or colored components. In one form, the device includes a first opposable containing a sample preparation zone adapted to obtain a test sample, and a second opposable containing a chromatographic medium, the first and second opposable can be placed against each other so that by applying the preparation zone to the chromatographic medium sample to transfer the test sample into it, preferably when the analyte is detected using a visually detectable label, other versions of the device differ in the arrangement of blocks in order to ensure optimal chromatography of a number of analytes, as well as the implementation of bidirectional chromatography; subsequent options are suitable for competitive immunoassays (RU 2124729 C1 10.01.1999).
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является система обнаружения остатков антибиотиков и определения их концентраций в молоке, содержащая канал притока молока и термостатированные параллельные каналы потока молока, каждый из которых содержит кислородный датчик, интегрированный с разным ферментом, формирующий датчик, которые вместе формируют массив биодатчиков, и средство сепарации нестандартного молока, подключенное к устройству обработки сигналов, и канал оттока молока, при этом для одновременного обнаружения различных антибиотиков и определения их концентрации во время дойки в реальном времени система содержит дополнительный параллельный канал потока молока, включающий в себя кислородный датчик с носителем фермента, но без фермента, и устройство гидролиза, расположенное между каналом притока молока и параллельными каналами потока молока, и упомянутое устройство гидролиза содержит физическое и/или химическое средство для регулируемого гидролиза лактозы для получения заданных равных концентраций глюкозы и галактозы в каждой исследуемой пробе молока, и каждый биодатчик в массиве биодатчиков интегрирован с разным ферментом, который катализирует окисление глюкозы и галактозы молекулярным растворенным кислородом, и каталитическая активность упомянутых ферментов увеличивается или уменьшается в присутствии антибиотиков, и количество упомянутых ферментов достаточно для генерирования уменьшения переходной фазы концентрации кислорода, которая измеряется с заданной точностью перед тем, как анализируемое молоко смешивается с молоком высокого качества (RU 2524624 С2, 27.07.2014). The closest analogue of the claimed invention is a system for detecting antibiotic residues and determining their concentrations in milk, containing a milk inflow channel and thermostatically parallel milk flow channels, each of which contains an oxygen sensor integrated with a different enzyme, forming a sensor, which together form an array of biosensors, and a means for separating non-standard milk connected to the signal processing device, and a milk outflow channel, while for the simultaneous detection of various antibiotics and determining their concentration during milking in real time, the system contains an additional parallel milk flow channel, which includes an oxygen sensor with an enzyme carrier, but without enzyme, and the hydrolysis device located between the milk inflow channel and the parallel milk flow channels, and said hydrolysis device contains a physical and/or chemical means for controlled hydrolysis of lactose to obtain a target given equal concentrations of glucose and galactose in each milk sample under study, and each biosensor in the array of biosensors is integrated with a different enzyme that catalyzes the oxidation of glucose and galactose by molecular dissolved oxygen, and the catalytic activity of these enzymes increases or decreases in the presence of antibiotics, and the amount of these enzymes is sufficient to generate a decrease in the transition phase of oxygen concentration, which is measured with a given accuracy before the analyzed milk is mixed with high quality milk (RU 2524624 C2, 27.07.2014).
Существенным недостатком известных технических решений является длительность, сложность и трудоемкость их реализации. A significant disadvantage of the known technical solutions is the duration, complexity and laboriousness of their implementation.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ PURPOSE OF THE INVENTION
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание эффективного способа определения наличия антибиотиков в сыром молоке, предпочтительно непосредственно во время дойки. Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в создании быстрого и точного способа определения наличия антибиотиков в сыром молоке. The problem to be solved by the present invention is to provide an effective method for determining the presence of antibiotics in raw milk, preferably directly during milking. The technical result achieved in solving the problem is to create a fast and accurate method for determining the presence of antibiotics in raw milk.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ SUMMARY OF THE INVENTION
Для достижения указанного технического результата предложен способ определения антибиотиков в сыром молоке, который включает отбор проб сырого молока; приготовление буферного раствора с pH, выбранным из диапазона 4,0 - 8,0; нанесение полученного буферного раствора на электроды электрохимических сенсоров; проведение измерений проб сырого молока с использованием сенсорной платформы, состоящей из тест-полоски и потенциостата, при этом тест-полоски с электродами изготавливают с помощью трафаретной или струйной печати на подложке, и они представляют собой массив электродов, при этом селективный слой на поверхность электродов наносится с помощью химической модификации поверхности при использовании полиэлектролитов, в качестве селективного элемента используют аптамеры, а потенциостат включает в себя модули для наложения и снятия электрического сигнала, модули для преобразования и передачи сигнала; при этом обработку полученных электрических сигналов производят методом математической статистики, полученные значения сравнивают с эталонными значениями, и по результату данного сравнения определяют наличие антибиотиков в сыром молоке и их концентрацию с определенной точностью. При этом, в качестве антибиотиков можно определять антибиотики бета-лактамного типа, тетрациклиновой группы, левомицетина и стрептомицина. To achieve this technical result, a method for determining antibiotics in raw milk is proposed, which includes sampling raw milk; preparation of a buffer solution with a pH selected from the range of 4.0 - 8.0; applying the resulting buffer solution to the electrodes of electrochemical sensors; measuring raw milk samples using a sensor platform consisting of a test strip and a potentiostat, while test strips with electrodes are made using screen or inkjet printing on a substrate, and they represent an array of electrodes, while a selective layer is applied to the surface of the electrodes using chemical modification of the surface using polyelectrolytes, aptamers are used as a selective element, and the potentiostat includes modules for applying and removing an electrical signal, modules for converting and transmitting a signal; at the same time, the processing of the received electrical signals is carried out by the method of mathematical statistics, the obtained values are compared with the reference values, and the result of this comparison determines the presence of antibiotics in raw milk and their concentration with a certain accuracy. At the same time, antibiotics of the beta-lactam type, tetracycline group, chloramphenicol and streptomycin can be determined as antibiotics.
При этом, процесс определения антибиотиков в сыром молоке можно производить непосредственно во время дойки. At the same time, the process of determining antibiotics in raw milk can be carried out directly during milking.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Наличие и концентрацию антибиотиков в сыром молоке определяют с помощью устройства, которое представляет собой тест-полоску с электродами и подключенный к ней потенциостат, при этом обработка данных осуществляется с помощью программного обеспечения. В одном аспекте настоящего изобретения, способ определения антибиотиков в сыром молоке включает следующие стадии: The presence and concentration of antibiotics in raw milk is determined using a device that is a test strip with electrodes and a potentiostat connected to it, while data processing is carried out using software. In one aspect of the present invention, a method for detecting antibiotics in raw milk includes the following steps:
- подготовка проб сырого молока, предпочтительно сразу после дойки или непосредственно во время дойки; - preparation of raw milk samples, preferably immediately after milking or directly during milking;
-нанесение проб сырого молока на поверхность тест-полосок, содержащих электроды с электрохимическими сенсорами; - application of raw milk samples to the surface of test strips containing electrodes with electrochemical sensors;
- предварительное нанесение на поверхность электродов слоя соли, которая при взаимодействии с молоком создает буферный раствор с pH 4,0-8, 0, для более точного проведения анализа; - preliminary application of a layer of salt on the surface of the electrodes, which, when interacting with milk, creates a buffer solution with a pH of 4.0-8.0, for more accurate analysis;
- проведение электрохимических измерений с помощью потенциостата, для чего к электродам электрохимического сенсора прикладывают различные развертки по напряжению, при этом происходит окисление или восстановление антибиотика на поверхности электрода, либо образование комплексов на поверхности электрода; - carrying out electrochemical measurements using a potentiostat, for which various voltage sweeps are applied to the electrodes of the electrochemical sensor, while oxidation or reduction of the antibiotic occurs on the electrode surface, or complexes are formed on the electrode surface;
- регистрация вольтамперных зависимостей процессов с помощью потенциостата;- registration of current-voltage dependences of processes with the help of a potentiostat;
- преобразование и обработка полученных электрических сигналов методом математической статистики; - conversion and processing of the received electrical signals by the method of mathematical statistics;
- сравнение полученных значений с эталонными значениями; - comparison of the obtained values with reference values;
- определение наличия антибиотиков в сыром молоке. - determination of the presence of antibiotics in raw milk.
Предпочтительно, что в качестве антибиотиков определяют антибиотики бета- лактамного типа, тетрациклиновой группы, левомицетина и стрептомицина. Preferably, antibiotics of the beta-lactam type, tetracycline group, chloramphenicol and streptomycin are defined as antibiotics.
Предпочтительно, чтобы определение антибиотиков в молоке происходило непосредственно во время дойки. Для этого сенсорную платформу встраивают в автоматическую систему доения, и проведение анализа пробы происходит в камере объемом, предпочтительно, до 2 см3, в которую осуществляют отбор сырого молока непосредственно во время доения. В этой же камере находятся непосредственно и тест - полоски, содержащие электроды электрохимических сенсоров, с предварительно нанесенным на них буферным раствором с выбранным из диапазона pH 4, 0-8,0. It is preferable that the determination of antibiotics in milk occurs directly at the time of milking. To do this, the sensor platform is built into the automatic milking system, and the sample is analyzed in a chamber with a volume, preferably up to 2 cm 3 , into which raw milk is taken directly during milking. In the same chamber, there are directly test strips containing electrodes of electrochemical sensors, with a buffer solution previously applied to them with a pH of 4, 0-8.0 selected from the range.
В качестве буферного раствора можно использовать натрий-фосфатный буфер, который представляет собой водный раствор солей, содержащий хлорид натрия, гидрофосфат натрия, хлорид калия и дигидрофосфат калия, а также натрий-ацетатный буфер, содержащий ацетат натрия и уксусную кислоту. При этом, общее время анализа пробы сырого молока составляет не более 20 мин.As a buffer solution, you can use a sodium phosphate buffer, which is an aqueous salt solution containing sodium chloride, sodium hydrogen phosphate, potassium chloride and potassium dihydrogen phosphate, as well as a sodium acetate buffer containing sodium acetate and acetic acid. At the same time, the total time for analyzing a raw milk sample is no more than 20 minutes.
При этом, вышеописанный способ осуществляют с помощью устройства, которое представляет собой тест-систему: тест-полоску с электродами, подключенный к ним потенциостат, и программное обеспечение, осуществляющее обработку полученных данных. At the same time, the above method is carried out using a device that is a test system: a test strip with electrodes, a potentiostat connected to them, and software that processes the received data.
Тест-полоску с электродами изготавливают с помощью трафаретной или струйной печати на подложке, при этом тест-полоска представляет собой массив электродов. В качестве электродов используют металлы переходной группы и их оксиды, предпочтительно медь, серебро, хром, марганец, железо, кобальт, никель, цинк, кадмий, галлий, титан, ванадий, а также различные модификации углерода, предпочтительно графит, стеклоуглерод, угольная сажа, микрочастицы углерода. The test strip with electrodes is made by screen or inkjet printing on a substrate, while the test strip is an array of electrodes. Transition group metals and their oxides are used as electrodes, preferably copper, silver, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, zinc, cadmium, gallium, titanium, vanadium, as well as various modifications of carbon, preferably graphite, glassy carbon, carbon black, carbon microparticles.
На поверхность электродов с помощью химической модификации поверхности наносится селективный слой. Селективный слой содержит селективные элементы - аптамеры, которые иммобилизуются на поверхности электрода. A selective layer is deposited on the surface of the electrodes by chemical modification of the surface. The selective layer contains selective elements - aptamers, which are immobilized on the electrode surface.
Для иммобилизации аптамеров используют метод последовательного ионного наслаивания, что позволяет увеличить количество нанесенных на электрод аптамеров и приводит к увеличению чувствительности электрохимического сенсора. В качестве со- иммобилизуемого слоя возможно использование полиэлектролитов различного заряда, молекулярного веса и разной силы. Полиэлектролиты представляют собой органический материал или полимер, выбранный из группы, включающей полиалкиленимин или состоящей из них, например полиэтиленимина, полистиролсульфоната, полиаллиламина, поливинилового спирта, полигидроксимаслянной кислоты, полистирола, полидиаллилдиметиламмонийхлорида, полиметакриловой кислоты, полиалкиленгликоля, например полиэтиленгликоль, поливинилпиридина и биополимеры, в частности полимеры на основе полисахаридов, и полиаминокислоты, такие как желатин, хитозан, агароза, целлюлоза, альгиновая кислота, декстран, казеин, полиаргинин, полиглицин, полиглутаминовая кислота, полиаспарагиновая кислота и производные, сополимеры или смеси To immobilize aptamers, the method of sequential ion layering is used, which makes it possible to increase the number of aptamers deposited on the electrode and leads to an increase in the sensitivity of the electrochemical sensor. As a co-immobilized layer, it is possible to use polyelectrolytes of different charge, molecular weight, and different strength. Polyelectrolytes are an organic material or polymer selected from the group consisting of or consisting of polyalkyleneimine, for example polyethyleneimine, polystyrenesulfonate, polyallylamine, polyvinyl alcohol, polyhydroxybutyric acid, polystyrene, polydiallyldimethylammonium chloride, polymethacrylic acid, polyalkylene glycol, for example polyethylene glycol, polyvinylpyridine and biopolymers, in particular polymers based on polysaccharides, and polyamino acids such as gelatin, chitosan, agarose, cellulose, alginic acid, dextran, casein, polyarginine, polyglycine, polyglutamic acid, polyaspartic acid and derivatives, copolymers or mixtures
Использование полиэлектролитов позволяет эффективно иммобилизировать аптамеры на поверхности электрода благодаря структуре полиэлектролитов и их физико- химическим свойствам. Последний адсорбированный слой на поверхности электрода должен обеспечить предотвращение неспецифической адсорбции. В качестве первого слоя используют катионный водорастворимый полиэлектролит. Молекулярный вес полиэлектролитов подбирается для эффективного наноструктурирования с иммобилизуемыми биологическими молекулами. Выбор катионного полиэлектролита также объясняется тем, что следующий слой - аптамеры, при заданных pH имеет частично отрицательный заряд. Дальнейшее нанесение противоположно заряженных слоев полиэлектролитов проводят с целью создания барьера между анализируемым раствором и нанесенным чувствительным слоем - аптамерами. Отрицательно заряженный полиэлектролит используют для нанесения последующих слоев совместно с катионным полиэлектролитом. Молекулярный вес анионного полиэлектролита предпочтительно близок к молекулярному весу катионного полиэлектролита. The use of polyelectrolytes makes it possible to effectively immobilize aptamers on the electrode surface due to the structure of polyelectrolytes and their physicochemical properties. The last adsorbed layer on the electrode surface must ensure the prevention of non-specific adsorption. A cationic water-soluble polyelectrolyte is used as the first layer. The molecular weight of polyelectrolytes is selected for effective nanostructuring with immobilized biological molecules. The choice of a cationic polyelectrolyte is also explained by the fact that the next layer - aptamers, at given pH has a partially negative charge. Further application of oppositely charged layers of polyelectrolytes is carried out in order to create a barrier between the analyzed solution and the deposited sensitive layer - aptamers. The negatively charged polyelectrolyte is used to deposit subsequent layers together with the cationic polyelectrolyte. The molecular weight of the anionic polyelectrolyte is preferably close to that of the cationic polyelectrolyte.
Синтез аптамеров для каждого антибиотика проводится с помощью ПЦР амплификации. Например, отбор связывающих аптамеров осуществляется с помощью процесса систематической эволюции лигандов путем экспоненциального обогащения, в котором покрытые антибиотиком магнитные шарики подвергают воздействию библиотеки одноцепочечной ДНК. Библиотека синтетической ДНК состоит из центральной рандомизированной области из 43 нуклеотидов, фланкированной двумя последовательностями связывания константных праймеров. В результате например, для цефкинома аптамер имеет следующую структуру: (5'-GCTGTGTGACTCCTGCAA-N43- GCAGCTGTATCTTGTCTCC-3 '). Synthesis of aptamers for each antibiotic is carried out using PCR amplification. For example, selection of binding aptamers is accomplished through a process of systematic ligand evolution by exponential enrichment, in which antibiotic-coated magnetic beads are exposed to a single-stranded DNA library. The synthetic DNA library consists of a central randomized region of 43 nucleotides flanked by two constant primer binding sequences. As a result, for example, for cefkinome, the aptamer has the following structure: (5'-GCTGTGTGACTCCTGCAA-N43-GCAGCTGTATCTTGTCTCC-3').
Подключенный к электродам потенциостат включает в себя модули для наложения и снятия электрического сигнала, модули для преобразования и передачи сигнала посредством беспроводного (Bluetooth, Wi-fi) или проводного способа передачи сигнала (USB). The potentiostat connected to the electrodes includes modules for applying and removing an electrical signal, modules for converting and transmitting a signal via wireless (Bluetooth, Wi-fi) or wired signal transmission (USB).
Потенциостат позволяет преобразовывать химический сигнал в электрический, а также передавать измеренные данные на персональный компьютер или облачное хранилище данных. В облачном хранилище данных или на персональном компьютере проводится обработка и интерпретация данных. Результатом обработки данных является систематизированная информация о количественном содержании веществ в определяемых образцах молока. Эта информация будет формировать цифровой отпечаток продукта, который производится из объектов анализа, или продукта, который сам является объектом анализа. The potentiostat allows you to convert a chemical signal into an electrical one, as well as transfer measured data to a personal computer or cloud storage. Data processing and interpretation is carried out in a cloud data storage or on a personal computer. The result of data processing is systematized information on the quantitative content of substances in the determined milk samples. This information will form the digital fingerprint of the product, which is produced from the objects of analysis, or a product that is itself an object of analysis.
Обработку полученных данных производят с помощью программного обеспечения. Приложение написано на Java для мобильной ОС Android. При его разработке использовались стандартные библиотеки - для работы с Bluetooth, а также сторонние библиотеки: Retrofit - для взаимодействия с клиент-сервером. База данных SQLite используется для хранения данных на устройстве. The received data is processed using software. The application is written in Java for the Android mobile OS. During its development, standard libraries were used - for working with Bluetooth, as well as third-party libraries: Retrofit - for interacting with the client-server. The SQLite database is used to store data on the device.
Данные датчика обрабатывают с помощью микросхемы, встроенной в схему потенциостата, для беспроводной связи датчика со смартфоном пользователя был выбран Bluetooth, потому что BLE имеет низкое энергопотребление и реализован во всех современных устройствах как общий режим связи. Таким образом, предложенное устройство совместимо со всеми смартфонами без дополнительного оборудования. Sensor data is processed using a microcircuit built into the potentiostat circuit, Bluetooth was chosen for wireless communication of the sensor with the user's smartphone, because BLE has low power consumption and is implemented in all modern devices as a common communication mode. Thus, the proposed device is compatible with all smartphones without additional equipment.
Приложение включает программное обеспечение для всех функциональных модулей, удобный графический интерфейс и полную документацию по использованию. The application includes software for all functional modules, a user-friendly graphical interface and complete documentation for use.
Приложение включает алгоритмы нейронной сети, которая обучается в ходе эксперимента, и успешная оценка такой нейросети в предсказании заданных свойств будет сигнализировать об окончании эксперимента. The application includes neural network algorithms that are trained during the experiment, and the successful evaluation of such a neural network in predicting the given properties will signal the end of the experiment.
Поиск и подключение программного обеспечения к потенциостату осуществляют с помощью беспроводного (Bluetooth, Wi-fi) или проводного (USB) соединения. В программном обеспечении запускают определение наличия и измерение концентрации антибиотиков в образце с помощью кнопки «Старт». Измерение электрических сигналов проводят в течении 5 - 20 минут. В конце измерения, полученные данные подвергаются обработке и коррекции с помощью алгоритмов программного обеспечения. Результат выводится на персональном компьютере или смартфоне в виде количественной характеристики - концентрации четырех типов антибиотиков. Также результат анализа автоматически отправляется для записи в журнал в облачном хранилище данных, а также в сторонние системы учета данных. Возможна отправка результатов анализа в виде автоматически сформированного отчета по электронной почте или в виде оповещения на смартфон. The search and connection of software to the potentiostat is carried out using a wireless (Bluetooth, Wi-fi) or wired (USB) connection. The software starts the determination of the presence and measurement of the concentration of antibiotics in the sample using the "Start" button. Measurement of electrical signals is carried out within 5 - 20 minutes. At the end of the measurement, the data obtained are processed and corrected using software algorithms. The result is displayed on a personal computer or smartphone in the form of a quantitative characteristic - the concentration of four types of antibiotics. Also, the result of the analysis is automatically sent for logging in the cloud data storage, as well as in third-party data accounting systems. It is possible to send the results of the analysis in the form of an automatically generated report by e-mail or as a notification to a smartphone.
Обработка сигнала производится следующим образом: полученные вольтамперные значения подвергают вероятностной статистической обработке, после которой каждому значению присваивается статистическая значимость. Затем в соответствии с присвоенной статистической значимостью полученные сигналы относятся к значениям, полученным для вольтамперных зависимостей антибиотика различной концентрации (контрольные значения). Близкие значения позволяют отнести исследуемый образец к определенной концентрации антибиотика. Signal processing is carried out as follows: the obtained current-voltage values are subjected to probabilistic statistical processing, after which each the value is assigned statistical significance. Then, in accordance with the assigned statistical significance, the obtained signals are related to the values obtained for the current-voltage dependences of the antibiotic of various concentrations (control values). Close values allow us to attribute the test sample to a certain concentration of the antibiotic.
Вероятностная статистическая обработка может происходить, например следующим образом: Probabilistic aggregation may occur, for example, as follows:
Входные сигналы (вольтамперные значения) для обработки методом математической статистики собираются в массив х = [х 1 , х2, хЗ , . . . , xN] . Каждому значению присваиваются статистические веса w = [wl, w2, w3, . . ., wN], которые также представляют собой массив значений. При вводе данных, каждому значению вольтамперной зависимости присваивается случайное значение статистического веса. Сумма произведений статистических весов будет создавать значение z:
Figure imgf000010_0001
где b-слагаемое, которое увеличивает степень свободы функции z.
Input signals (volt-ampere values) for processing by the method of mathematical statistics are collected in an array x = [x 1, x2, x3, . . . , xN] . Each value is assigned statistical weights w = [wl, w2, w3, . . ., wN], which are also an array of values. When entering data, each value of the current-voltage dependence is assigned a random value of the statistical weight. The sum of the products of the statistical weights will create the z value:
Figure imgf000010_0001
where b is a term that increases the degree of freedom of the function z.
Далее, значение z подвергается обработке по формуле:
Figure imgf000010_0002
Next, the z value is processed according to the formula:
Figure imgf000010_0002
Следующим этапом проходит сравнение полученного значения о с ожидаемым значением, полученным при обучении на модельных растворах молока с антибиотиком. Для этого каждое значение с каждой концентрации каждого антибиотика (к) сравнивается с каждым значением tk, полученным при тренировке.
Figure imgf000010_0003
The next step is to compare the obtained value of o with the expected value obtained during training on model solutions of milk with an antibiotic. To do this, each value from each concentration of each antibiotic (k) is compared with each tk value obtained during training.
Figure imgf000010_0003
Затем рассчитывается ошибка сигнала: Then the signal error is calculated:
Sk = - trk - (1 - fffc) S k = - tr k - (1 - fffc)
А = (A - “ ■ А ■ С1 - А) Далее, методом итераций производится обновление статистических весов w для каждого значения вольтамперной зависимости (х):
Figure imgf000011_0001
где 1г - множитель (в диапазоне от 0 до 1), полученный при тренировке на модельных растворах молока с антибиотиком.
A \u003d (A - “ ■ A ■ C 1 - A) Further, the method of iterations updates the statistical weights w for each value of the current-voltage dependence (x):
Figure imgf000011_0001
where 1r is a multiplier (in the range from 0 to 1) obtained during training on model solutions of milk with an antibiotic.
Каждой точке вольтамперной зависимости исследуемого образца присваивается статистический вес:
Figure imgf000011_0002
Each point of the current-voltage dependence of the test sample is assigned a statistical weight:
Figure imgf000011_0002
Наибольшее значение статистического веса указывает на концентрацию соответствующего антибиотика. Ошибка определения рассчитывается по формуле:
Figure imgf000011_0003
The highest value of the statistical weight indicates the concentration of the corresponding antibiotic. The determination error is calculated by the formula:
Figure imgf000011_0003
В результате проведенных операций получают значение содержания антибиотика каждой группы в молоке, которое сравнивается с контрольным значением для каждой группы антибиотиков. Более низкое значение, чем контрольное, свидетельствует о пригодности молока к употреблению. As a result of the performed operations, the value of the content of the antibiotic of each group in milk is obtained, which is compared with the control value for each group of antibiotics. A lower value than the control indicates the suitability of milk for consumption.
Группа антибиотиков представляют собой группу, состоящую из амоксицилина, ампициллина, бензициллина, гетациллина, дигидрострептомицина, диклоксациллина, доксициклина, клоксациллина, левомицетина (хлорамфеникол), нафциллина, оксациллина, окситетрациклина, пенициллина g, пенициллина v, пиперациллина, прокаин-пенициллина, стрептомицина, тетрациклина, тикарциллина, хлортетрациклина, цефадроксила, цефазолина, цефалексина, цефалония, цефалониума, цефапирина, цефацетрила, цефкинома, цефоксазола, цефоперазона, цефотаксима. The antibiotic group is a group consisting of amoxicillin, ampicillin, benzicillin, hetacillin, dihydrostreptomycin, dicloxacillin, doxycycline, cloxacillin, chloramphenicol, nafcillin, oxacillin, oxytetracycline, penicillin g, penicillin v, piperacillin, procaine-penicillin, streptomycin, tetracycline , ticarcillin, chlortetracycline, cefadroxil, cefazolin, cephalexin, cephalonia, cephalonium, cefapirin, cefacetril, cefkinoma, cefoxazole, cefoperazone, cefotaxime.
ПРИМЕРЫ EXAMPLES
Пример 1. Способ определения антибиотиков в сыром молоке. Example 1. Method for the determination of antibiotics in raw milk.
Пробу сырого молока (образец 1) помещали в емкость для анализа объемом до 1 мл. Объем анализируемой пробы составлял от 0,01 мл до 0,5 мл. После отбора пробы, в емкость для анализа опу скал итест- полоску с электродами, с предварительно нанесенным на них буферным раствором и присоединенными к потенциостату с помощью коннектора. . Затем, на персональном компьютере или смартфоне запускали программное обеспечение и определяли концентрацию каждого вида антибиотика путем анализа полученных данных. В результате проведенного исследования и последующего анализа полученных данных установлено, что содержание антибиотика тетрациклиновой группы в образце 1 составляет 0,001 мг/л, при этом, содержание данного антибиотика в эталонной пробе молока составляет 0,003 мг/л, следовательно, содержание антибиотика в исследуемой пробе молока содержится в допустимых значениях. Таким образом, исследуемое молоко пригодно к использованию. A sample of raw milk (sample 1) was placed in a container for analysis with a volume of up to 1 ml. The volume of the analyzed sample was from 0.01 ml to 0.5 ml. After sampling, put a test strip with electrodes into the container for analysis, pre-applied with a buffer solution and connected to the potentiostat using a connector. . Then, the software was launched on a personal computer or smartphone and the concentration of each type of antibiotic was determined by analyzing the data obtained. As a result of the study and subsequent analysis of the data obtained, it was found that the content of the antibiotic of the tetracycline group in sample 1 is 0.001 mg/l, while the content of this antibiotic in the reference milk sample is 0.003 mg/l, therefore, the content of the antibiotic in the milk sample under study contains in acceptable values. Thus, the studied milk is suitable for use.
Предложенный способ обеспечивает быстрое и точное определение наличия антибиотиков и их концентрации в сыром молоке. The proposed method provides a quick and accurate determination of the presence of antibiotics and their concentration in raw milk.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Способ определения антибиотиков в сыром молоке, характеризующийся тем, что включает отбор проб сырого молока; нанесение полученного буферного раствора с pH 4,0 - 8,0 на электроды электрохимических сенсоров; нанесение отобранных проб молока на тест-полоски, включающие электроды электрохимических сенсоров, проведение измерений проб сырого молока с использованием сенсорной платформы, состоящей из тест-полоски и потенциостата; преобразование и обработку полученных электрических сигналов методом математической статистики с помощью программного обеспечения; сравнение полученных значений с эталонными значениями содержания антибиотиков в молоке, при этом тест-полоски с электродами представляют собой массив электродов, где селективный слой наносится на поверхность электродов с помощью химической модификации поверхности при использовании полиэлектролитов при этом в качестве элемента селективного слоя используют аптамеры, а потенциостат включает в себя модули для наложения и снятия электрического сигнала и модули для преобразования и передачи сигнала для обработки. 1. Method for the determination of antibiotics in raw milk, characterized in that it includes the sampling of raw milk; applying the obtained buffer solution with pH 4.0 - 8.0 on the electrodes of electrochemical sensors; applying selected milk samples to test strips, including electrodes of electrochemical sensors, measuring raw milk samples using a sensor platform consisting of a test strip and a potentiostat; conversion and processing of the received electrical signals by the method of mathematical statistics using software; comparison of the obtained values with the reference values of the content of antibiotics in milk, while the test strips with electrodes are an array of electrodes, where the selective layer is applied to the surface of the electrodes using chemical surface modification using polyelectrolytes, while aptamers are used as an element of the selective layer, and a potentiostat includes modules for imposing and removing an electrical signal and modules for converting and transmitting a signal for processing.
2. Способ определения антибиотиков в сыром молоке по п.1, отличающийся тем, что в качестве антибиотиков определяют антибиотики бета-лактамного типа, тетрациклиновой группы, левомицетина и стрептомицина. 2. The method for determining antibiotics in raw milk according to claim 1, characterized in that antibiotics of the beta-lactam type, tetracycline group, chloramphenicol and streptomycin are determined as antibiotics.
3. Способ определения антибиотиков в сыром молоке по п.1, отличающийся тем, что процесс определения антибиотиков в сыром молоке происходит непосредственно во время дойки. 3. The method for determining antibiotics in raw milk according to claim 1, characterized in that the process of determining antibiotics in raw milk occurs directly during milking.
PCT/RU2021/050273 2021-01-26 2021-08-20 Method for detecting antibiotics in raw milk WO2022164341A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021101604A RU2757226C1 (en) 2021-01-26 2021-01-26 Method for determining antibiotics in raw milk
RU2021101604 2021-01-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022164341A1 true WO2022164341A1 (en) 2022-08-04

Family

ID=78286363

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050273 WO2022164341A1 (en) 2021-01-26 2021-08-20 Method for detecting antibiotics in raw milk

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2757226C1 (en)
WO (1) WO2022164341A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2180748C1 (en) * 2000-12-14 2002-03-20 Томский политехнический университет Method for quantitatively determining levomycetin in foods and pharmaceutical preparations
RU2524624C2 (en) * 2010-01-29 2014-07-27 Тарту Юликоол (Юниверсити Оф Тарту) Real-time system, method of calibrating system and simultaneous detection of residues of antibiotics and their concentration in milk
CN106248894A (en) * 2015-05-30 2016-12-21 北京艾旗斯德科技有限公司 A kind of paper chip detecting Residue of Antibiotics in Milk
RU2739074C1 (en) * 2020-06-01 2020-12-21 Общество с ограниченной ответственностью "Тестер-М" Method for qualitative and quantitative determination of tetracycline and penicillin antibiotics in milk and milk products

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2180748C1 (en) * 2000-12-14 2002-03-20 Томский политехнический университет Method for quantitatively determining levomycetin in foods and pharmaceutical preparations
RU2524624C2 (en) * 2010-01-29 2014-07-27 Тарту Юликоол (Юниверсити Оф Тарту) Real-time system, method of calibrating system and simultaneous detection of residues of antibiotics and their concentration in milk
CN106248894A (en) * 2015-05-30 2016-12-21 北京艾旗斯德科技有限公司 A kind of paper chip detecting Residue of Antibiotics in Milk
RU2739074C1 (en) * 2020-06-01 2020-12-21 Общество с ограниченной ответственностью "Тестер-М" Method for qualitative and quantitative determination of tetracycline and penicillin antibiotics in milk and milk products

Also Published As

Publication number Publication date
RU2757226C1 (en) 2021-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110618185B (en) Ratiometric electrochemical detection method of ochratoxin A
Moreira et al. Electrochemical biosensor based on biomimetic material for myoglobin detection
Lad et al. Electrochemical creatinine biosensors
Kim et al. Evaluation of nitrate and potassium ion-selective membranes for soil macronutrient sensing
CN111175364B (en) Preparation method of ratiometric electrochemical aptamer sensor for simultaneously detecting aflatoxin B1 and ochratoxin A
Gutiérrez et al. Bioelectronic tongue for the simultaneous determination of urea, creatinine and alkaline ions in clinical samples
CN104764784A (en) Biosensor for detection of mercury ions based on aptamer and preparation method thereof
Domínguez-Renedo et al. Determination of metals based on electrochemical biosensors
Zhang et al. Flow injection analytical system for glucose with screen-printed enzyme biosensor incorporating Os-complex mediator
Borole et al. Conducting polymers: an emerging field of biosensors
CN114441616B (en) Method for modifying new coronavirus biological probe on electrochemical biosensor
CN105181780A (en) Novel print recognition based metronidazole electrochemical sensor, preparation method and application
JP2013220066A (en) Sensor chip and measuring method using the same
CN105259349B (en) A kind of preparation for exempting to fix bio-sensing electrode and its application in label-free homogeneous photic electrification learns to farm residual detection and cancer diagnosis
US9304096B2 (en) Method of measuring a capacitance
RU2757226C1 (en) Method for determining antibiotics in raw milk
WO2018223024A2 (en) Calibration-free measurement with electrochemical biosensors
CN104655708A (en) P-aminobenzene sulfonic acid/imprinted poly-o-phenylenediamine modified electrode as well as preparation method and application thereof
Abd Hakim et al. Synthesis of Urea Sensors using Potentiometric Methods with Modification of Electrode Membranes Indicators of ISE from PVA-Enzymes Coating PVC-KTpClPB
KR102379684B1 (en) Biosensors produced from enzymes with reduced solubility and methods of production and use thereof
CN113295756B (en) Label-free ratio homogeneous electrochemical sensing method for detecting aflatoxin B1
Ismail et al. Comparison of single layer and bilayer biosensors based on crosslinking of penicillinase for potentiometric detection of penicillin in milk and antibiotics
Nagy et al. Bioelectroanalytical sensors and analytical problems in their application
CN104597092B (en) Preparation method of dicyandiamide molecular imprinting polymer membrane electrode
CN111443118B (en) Ratio-type electrochemical sensing platform for vibrio detection and preparation method and application thereof

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21923477

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21923477

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1