УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ КАЧЕСТВЕННОГО И КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2008 года по МПК G01N5/02 

Заявленные устройство и способ для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов относятся к области сенсорных устройств, предназначенных для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов, способных специфически связываться друг с другом с образованием устойчивого комплекса, в том числе биологических материалов: комплементарных молекул нуклеиновых кислот, клеток и клеточных рецепторов, компонентов комплекса антиген-антитело и других белковых и небелковых комплексов, а также способов качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов. Определение концентрации биологически активных веществ широко применяется в медицине для клинической диагностики, в фармацевтической и пищевой промышленности для контроля технологических процессов, анализа сырья и готовой продукции.

Известен способ определения концентрации биотина, основанный на иммобилизации конъюгата бычьего сывороточного альбумина с дестиобиотином на поверхности пьезокварцевого кристалла [1]. При инкубации модифицированного кристалла в растворе авидина образуется метастабильный комплекс, который при введении анализируемого образца, содержащего биотин, диссоциирует. Молекулы авидина десорбируются с поверхности и в растворе связываются в комплекс с биотином. Процесс десорбции авидина сопровождается увеличением резонансной частоты пьезокварцевого кристалла, которое детектируется измерительной системой и служит аналитическим сигналом. Недостатки данного способа заключаются в неприменимости способа для определения концентрации других биологически активных соединений и сравнительно большом объеме анализируемого раствора. Сходство данного способа с заявляемым состоит в том, что для определения концентрации биологически активного соединения регистрируется аналитический сигнал, сопровождающий диссоциацию специфического комплекса, образованного определяемым веществом.

Известно устройство для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов, содержащее одну или несколько консолей, на по крайней мере части поверхности по крайней мере одной из них содержащее иммобилизованное соединение или биологический объект [2]. При инкубации модифицированной консоли в анализируемом растворе происходит адсорбция определяемого вещества на поверхности консоли с образованием комплекса. Процесс адсорбции сопровождается изгибом консоли, который регистрируется оптической системой атомно-силового микроскопа, состоящей из лазера и фотодиода. Недостатком данного устройства является уменьшение чувствительности при определении низкомолекулярных соединений. Сходство описанного сенсорного устройства с заявляемым состоит в том, что чувствительным элементом устройства является кантилевер, изгиб которого является аналитическим сигналом и регистрируется оптической детектирующей системой атомно-силового микроскопа, а также в использовании для определения биологически активных соединений реакций образования и диссоциации специфических межмолекулярных комплексов. По совокупности существенных признаков вышеописанное сенсорное устройство является прототипом изобретения.

Целью настоящего изобретения является увеличение абсолютной чувствительности сенсорного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов, содержащее одну или несколько консолей, на по крайней мере части поверхности по крайней мере одной из них содержащее иммобилизованное соединение или биологический объект согласно изобретению в качестве иммобилизованного соединения или биологического объекта содержит комплекс определяемого соединения или биологического объекта с другим соединением или биологическим объектом.

При этом по крайней мере одна из консолей предпочтительно выполнена из материалов, выбранных из группы, включающей керамические материалы, полимерные материалы, кварц, нитрид кремния, кремний, оксид кремния, оксид алюминия, оксид цинка, оксид тантала, германий, оксид германия и арсенид галлия.

При этом в качестве по крайней мере одной консоли предпочтительно используется кантилевер для атомно-силовой микроскопии. При этом длина кантилевера предпочтительно находится в диапазоне 0,1-200 мкм, ширина - в диапазоне 0,1-50 мкм и толщина - в диапазоне 0,03-30 мкм.

При этом устройство предпочтительно содержит интерферометр или лазерную оптическую систему для измерения отклонения по крайней мере одной консоли, включающую в себя отражающую область, расположенную на консоли, источник лазерного излучения и фоточувствительный детектор.

Поставленная цель достигается также и способом качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов. В способе, включающем размещение хотя бы одной консоли в растворе определяемого химического соединения или биологического объекта и сравнение отклонения консоли с ее отклонением в данном растворе в отсутствие определяемого химического соединения или биологического объекта, согласно изобретению в качестве хотя бы одной консоли используют такую консоль, на которой иммобилизован комплекс определяемого химического соединения или биологического объекта с другим химическим соединением или биологическим объектом.

При этом измерение отклонения по крайней мере одной консоли осуществляют предпочтительно с помощью интерферометра или лазерной оптической системы, включающей в себя отражающую область, расположенную на консоли, источник лазерного излучения и фоточувствительный детектор.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого сенсорного устройства. Сенсорное устройство согласно изобретению содержит корпус 1, снабженный двумя отверстиями 2 и дозирующими устройствами 3 для ввода растворов, размещенное в корпусе устройство крепления 4 одной или нескольких консолей 5. В случае использования для измерения изгиба консоли лазерной детектирующей системы корпус дополнительно содержит окно 6, выполненное из прозрачного для используемого лазерного излучения материала, а консоль 5 на одной из поверхностей содержит область, покрытую отражающим лазерное излучение слоем. Лазерная детектирующая система состоит из источника лазерного излучения 7, фотодиода 8 и системы обработки сигнала с фотодиода 9. Лазерная детектирующая система может содержать зеркало 10, призмы, линзы и иные устройства для преобразования оптического сигнала. Вместо простой лазерной системы для измерения деформаций консоли может использоваться прецизионный оптический интерферометр. На фиг.2 представлена схема используемой в сенсорном устройстве консоли. На консоли находится область 11 с иммобилизованным на ней комплексом определяемого вещества 12 или биологического объекта с другим веществом или биологическим объектом 13, при этом с поверхностью консоли связано определяемое вещество или биологический объект. На консоли также находится область 14, покрытая слоем, отражающим лазерное излучение. Области 11 и 14 могут частично перекрываться или совпадать. Консоль или ее отдельные части могут быть выполнены из керамических материалов, полимерных материалов, кварца, нитрида кремния, кремния, золота, серебра, оксида кремния, оксида алюминия, оксида цинка, оксида тантала, германия, оксида германия и арсенида галлия. Предпочтительным является выполнение консоли из кремния или нитрида кремния. Также при изготовлении консоли могут использоваться другие материалы для обеспечения наилучших механических характеристик датчика. Форма и размер консоли не являются существенными для достижения технического результата признаками.

В качестве определяемого химического соединения может быть использован морфин. В качестве определяемого биологического объекта могут использоваться поли- и моноклональные антитела.

Устройство работает следующим образом: корпус 1 заполняется раствором, не содержащим определяемое соединение или объект, с помощью лазерной или иной детектирующей системы производится измерение изгиба консоли, затем корпус заполняется раствором, содержащим определяемое соединение или биологический объект. При этом введенное определяемое соединение или биологический объект конкурирует с иммобилизованным за другой компонент комплексом, часть комплекса диссоциирует и компонент комплекса, связанный с определяемым веществом, переходит с поверхности консоли в раствор. Диссоциация комплекса сопровождается изменением поверхностного натяжения на границе консоли с раствором и, как следствие, изгибом консоли. Для качественного или количественного определения химического соединения или биологического объекта измеряется скорость начального изгиба консоли от ее положения в растворе, не содержащем определяемое соединение или объект, которая зависит от концентрации определяемого соединения или объекта. Другой способ определения химического соединения или биологического объекта заключается в сравнении изгиба консоли в отсутствие определяемого соединения или объекта со стационарным изгибом консоли, установившимся в растворе определяемого соединения или объекта. Вместо стационарного значения изгиба может быть использовано значение изгиба, достигаемое по истечении заранее определенного времени.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Для определения концентрации морфина в водном растворе используется сенсорное устройство, включающее выполненный из тефлона корпус, содержащий стеклянное окно и выполненное из тефлона крепление консоли, лазерную детектирующую систему атомно-силового микроскопа ФемтоСкан™ (производства ООО "Академия биосенсоров"). В качестве консоли используется кантилевер CSG01™ (производства Государственного Научно-Исследовательского Института Физических проблем имени Ф.В.Лукина) с иммобилизованным на нем комплексом морфина с поликлональными кроличьими антителами к морфину. Иммобилизация комплекса морфина и антител на поверхности комплекса осуществляется следующим образом: для очистки поверхности кантилевер погружают в смесь равных объемов концентрированной серной кислоты и 30%-ного водного раствора пероксида водорода. Затем кантилевер обрабатывается последовательно 50 мМ раствором 4-аминотиофенола в метаноле в течение 17 часов, 5% водным раствором глутарового альдегида в течение 2 часов и 100 мкг/мл раствором конъюгата овальбумина с морфином в 0,03 М фосфатном буферном растворе с рН 7,0 в течение 1 часа, 0,05 М раствором трис-гидроксиметиламинометана в фосфатном буферном растворе в течение 30 минут и раствором сыворотки крови кролика, содержащей специфические антитела к морфину с разведением 1:50 в фосфатном буферном растворе в течение 2 часов.

Кантилевер закрепляют в держателе и корпус заполняют 0,03 М фосфатным буферным раствором. Для качественного и количественного определения морфина корпус заполняют анализируемым раствором и измеряют изгиб кантилевера относительно его положения в фосфатном буферном растворе через 5 минут после введения исследуемого раствора. Содержание морфина определяют по предварительно построенной градуировочной зависимости изгиба кантилевера от концентрации морфина в растворе. Способ позволяет определять морфин в концентрации 1 мкг/мл.

Пример 2. Для определения концентрации морфина используют сенсорное устройство, аналогичное устройству, используемому в примере 1, за исключение того, что в качестве одного из компонентов комплекса используются человеческие антитела к морфину. Измерение концентрации морфина осуществляется тем же способом, что и в примере 1.

Из литературных данных [3] известно, что устройство для количественного определения антител к 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоте, реализованное согласно [2], позволяет определять антитела в концентрации 5 мкг/мл, таким образом, цель увеличения абсолютной чувствительности сенсорного устройства является достигнутой.

Источники информации

1. Masson М., Yun K.S., Haruyama Т., Kobatake E., Aizawa М. // Anal. Chem. 1995. V.67. №13. Р.2212.

2. Thundat Т.О., Jacobson K.B, Doktycz M.J., Kennel S.J., Warmack R.J. // United States Patent №6289717.

3. Raiteri R., Nelles G., Butt H.-J., Knoll W., Skladál P. // Sensors and Actuators B. 1999. V.61. P.213.

Детектирующим элементом сенсора является одна или несколько консолей с иммобилизованным на поверхности комплексом специфически взаимодействующих молекул или биологических объектов. В качестве детектирующего элемента можно использовать кантилевер для атомно-силовой микроскопии. Определение одного из компонентов комплекса достигается за счет измерения статических деформаций микромеханического устройства, возникающих в результате диссоциации иммобилизованного комплекса и связывания другого компонента определяемым веществом. Изобретение обеспечивает увеличение абсолютной чувствительности. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов, содержащее одну или несколько консолей, на по крайней мере части поверхности по крайней мере одной из них содержащее иммобилизованное соединение или биологический объект, отличающееся тем, что содержит детектирующую систему для измерения прогиба консоли, содержащую интерферометр или лазерную детектирующую систему для измерения отклонения по крайней мере одной консоли, включающую в себя отражающую область, расположенную на консоли, источник лазерного излучения и фоточувствительный детектор, и в качестве иммобилизованного соединения или биологического объекта содержит комплекс определяемого соединения или биологического объекта с другим соединением или биологическим объектом,2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере одна из консолей выполнена из материалов, выбранных из группы, включающей керамические материалы, полимерные материалы, кварц, нитрид кремния, кремний, оксид кремния, оксид алюминия, оксид цинка, оксид тантала, германий, оксид германия и арсенид галлия.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве по крайней мере одной консоли используется кантилевер для атомно-силовой микроскопии.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что длина кантилевера находится в диапазоне 0,1-200 мкм, ширина в диапазоне 0,1-50 мкм и толщина в диапазоне 0,03-30 мкм.5. Способ качественного и количественного определения химических соединений и биологических объектов, включающий размещение хотя бы одной консоли в растворе определяемого химического соединения или биологического объекта и сравнение отклонения консоли с ее отклонением в данном растворе в отсутствие определяемого химического соединения или биологического объекта, отличающийся тем, что в качестве хотя бы одной консоли используют такую консоль, на которой иммобилизован комплекс определяемого химического соединения или биологического объекта с другим химическим соединением или биологическим объектом, а определение осуществляют по предварительно построенной градуировочной зависимости изгиба консоли от содержания определяемого вещества.6. Способ по п.5, отличающийся тем, что измерение отклонения по крайней мере одной консоли осуществляют с помощью интерферометра или лазерной оптической системы, включающей в себя отражающую область, расположенную на консоли, источник лазерного излучения и фоточувствительный детектор.