Устройство для проведения высокоспецифичной детекции биомаркеров на кварцевом резонаторе

Полезная модель относится к медицинской и биологической измерительной технике и может использоваться для детекции биологических маркеров.
Известны различные пьезоэлектрические устройства обнаружения целевых биомолекул в биологических образцах (см., например, патент US 7811831, МПК G01N 33/552, опубликован 12.10.2010 г.; патентную заявку US 20050250222, МПК G01N 33/552, опубликована 10.11.2005 г.).
Основным недостатком таких устройств является обратная зависимость между основными показателями эффективности детекции: чувствительностью и специфичностью, и, как следствие, невозможность проведения одномоментно высокоспецифической и высокочувствительной детекции.
Известны устройства - кантилеверы (см., например, патент US 9274087, МПК G01N 29/02, опубликован 08.11.2016 г.), в которых анализ молекулярных связей осуществляется безметочным способом, путем регистрации поверхностного натяжения на границе рецептор - окружающая среда.
Недостатком таких устройств является необходимость осуществления поиска анализируемого объекта на поверхности, что существенно усложняет их работу и увеличивает время анализа.
Наиболее близким аналогом, по мнению авторов, является устройство определения аффинности партнеров по связыванию по отношению друг к другу (см. патент ЕР 1171769, МПК G01N 29/00, G01N 33/53, опубликован 16.01.2002), содержащее выполненные в общем корпусе приемник картриджа, генератор синусоидального сигнала, фильтр частоты, усилитель сигнала с картриджа, акустический преобразователь (АП).
Генератор синусоидального сигнала предназначен для возбуждения колебательного движения кварцевого резонатора картриджа с возрастающей амплитудой на основной резонансной частоте, фильтр частоты обеспечивает выделение третьей гармоники, на которой производится измерение акустического сигнала от кристалла кварцевого резонатора, усилитель сигнала предназначен для улучшения соотношения сигнал/шум, АП предназначен для регистрации акустического сигнала с усилителя в момент разрыва связи.
Чувствительным элементом кварцевого резонатора картриджа является диск из кристаллического кварца с электродами на верхней и нижней поверхностях.
На поверхности электродов иммобилизируют зонд, представляющий собой белок (антитело, антиген), фермент, ингибитор фермента, полинуклеотид или клетку, бактерию, вирус, прион или фаг. В момент введения анализируемой пробы (аналита) в аналитическую ячейку картриджа, содержащую кварцевый резонатор с иммобилизованными рецепторами, происходит специфическое связывание рецепторов с анализируемым веществом.
После того, как анализируемое вещество связалось с рецепторами на поверхности кварцевого резонатора посредством межмолекулярного взаимодействия, на электроды генератором подается переменный сигнал с частотой, соответствующей основной моде кварцевого резонатора. Увеличение подаваемого на электроды напряжения приводит к увеличению амплитуды колебаний кварцевого резонатора. По мере возрастания амплитуды возрастает ускорение, а, значит, и сила, приложенная к частицам, и при достижении силой определенного порога, происходит разрыв связей. Разрыв всех связей, соединяющих аналит с поверхностью, порождает акустический сигнал, который после прохождения через фильтр и усилитель регистрируют при помощи АП на третьей гармонике.
График зависимости уровня генерируемого сигнала от амплитуды (или приложенного напряжения), представляет собой спектр силы отрыва. С помощью графика определяют момент разрыва связи, поскольку он соответствует пику сигнала. Таким образом, можно определить критическое напряжение, при котором происходит разрыв связи. Кроме того, высота пика акустического излучения является мерой количества связанных частиц.
К недостаткам данного устройства можно отнести то, что измерение проводится на фиксированной частоте, следовательно, необходимо очень точно настраиваться на резонансную и 3f+Δf частоты. В процессе измерения резонансная частота кварца может меняться, что приводит к уменьшению точности (по концентрации) данного метода.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение более высокой точности измерений по сравнению с прототипом.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является высокая чувствительность и специфичность анализа взаимодействий биологических образцов.
Технический результат достигается тем, что устройство для проведения высокоспецифичной детекции биомаркеров на кварцевом резонаторе содержит корпус, в котором размещены снабженный блоком термостабилизации адаптер для картриджа, вставляемый в него картридж с кварцевым кристаллом с иммобилизованными на его поверхности специализированными агентами для детекции целевых биомаркеров, и детектирующий модуль, содержащий следующие элементы: генератор сигналов, токовый буфер, сигнальный трансформатор, усилитель сигнала, аналого-цифровой преобразователь и модуль синхронизации.
Для достижения технического результата в устройстве необходимо использовать картриджи определенного типа, а именно, картриджи с кварцевым кристаллом с иммобилизованными на его поверхности специализированными агентами для детекции целевых биомаркеров.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема устройства.
Устройство содержит корпус 1, адаптер 2 для картриджа (картридж не показан), детектирующий модуль 3, содержащий генератор 4 сигналов, токовый буфер 5, сигнальный трансформатор 6, усилитель 7 сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, модуль 9 синхронизации.
Заявляемую полезную модель используют для проведения анализа следующим образом.
Перед внесением анализируемой пробы в картридж с модифицированным кварцевым резонатором, картридж устанавливают в адаптер 2. Адаптер 2 для картриджа осуществляет контактное сопряжение картриджа с детектирующим модулем 3 и термостатирование реакционной ячейки картриджа до заданной температуры (обычно 37°С).
Управление устройством и обработку полученных результатов проведенного анализа осуществляет программное обеспечение устройства, установленное на персональном компьютере.
После выбора необходимых параметров проведения анализа, производят внесение пробы в ячейку картриджа и запускают процесс анализа.
В момент старта анализа генератор 4 сигнала начинает подавать частотно-модулированный сигнал от нижней до верхней границ частот, увеличивая частоту с постоянной скоростью заданное количество раз, с каждым проходом увеличивая амплитуду подаваемого сигнала.
Генерируемый сигнал поступает на токовый буфер 5, предназначенный для согласования генератора 4 сигнала и нагрузки (кварцевого резонатора со связанной биомолекулой), фильтрации сигнала возбуждения резонатора и обеспечения необходимой мощности возбуждения.
Далее сигнал поступает на адаптер 2 и непосредственно на размещенный в нем картридж с кварцевым резонатором, что приводит к сдвиговым колебаниям поверхности кварцевого кристалла, на котором иммобилизованы специфические рецепторы, связанные с молекулами-аналитами. В момент разрыва связи «иммобилизованный рецептор - молекула-аналит» в кварцевом кристалле возникает переходный процесс с высшими гармониками.
Сигнал с картриджа с кварцевым резонатором передается на сигнальный трансформатор 6, затем на усилитель 7 сигнала. Запись сигнала осуществляется в АЦП 8. Модуль 9 синхронизации предназначен для синхронизации работы генератора 4 сигналов и АЦП 8. Устройство может быть запитано от внешнего источника постоянного тока, либо иметь собственный встроенный источник питания (например, аккумулятор).
В отличие от прототипа полезной моделью детектирование разрыва связи осуществляется не способом акустической эмиссии, а измерением амплитудно-частотной зависимости. Данный алгоритм детекции предусматривает изменение частоты подаваемого сигнала в определенном диапазоне частот вблизи резонансной частоты кварцевого резонатора, тем самым повышая точность измерений.
Заявляемая полезная модель в отличие от других аналогов на основе кварцевых резонаторов позволяет избавиться от неспецифического связывания и провести детекцию специфических взаимодействий.