УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ЧИПА БИОСЕНСОРА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЧИПА
DEVICE FOR INSTALLING BIOSENSOR CHIP FOR IMPLEMENTING METHOD FOR RECOVERY OF SENSITIVE SURFACE OF CHIP

Настоящее изобретение относится к области биосенсорного анализа и касается устройства для восстановления чувствительной поверхности чипа биосенсора, т.е. максимально возможного удаления с поверхности чипа ковалентно иммобилизованных макромолекул и химических соединений. Чипы биосенсоров являются продуктом высоких технологий, что приводит к тому, что незаводское их изготовление невозможно. В то же время они являются принципиально одноразовыми изделиями, повторного использования которых не предусматривается, хотя стоимость чипа достаточно высока, и расходы на один анализ могут быть весьма значительными. Во многих случаях это не является препятствием для использования биосенсоров, поскольку при выполнении жизненно важных анализов или при разработке новых лекарств цена анализа не является определяющим фактором. В то же время существуют исследования, для выполнения которых нужно потратить десятки и даже сотни чипов. Во многих случаях это невозможно по экономическим причинам.
Чтобы привести использованный чип в состояние, близкое к тому, в котором он поступает с завода-изготовителя, необходимо по возможности более полно удалить с его поверхности остатки ранее иммобилизованных макромолекул и, при необходимости, восстановить до исходного значения поверхностную плотность реакционных групп. На настоящий момент не существует способа направленно разорвать ковалентную связь, образовавшуюся в процессе иммобилизации, однако есть возможность удалить все элементы иммобилизованных макромолекул. Для этого можно привести поверхность чипа в контакт с раствором фермента, способного гидролизовать связи между компонентами макромолекул. Для протеинов и белков следует использовать протеазы, а для нуклеиновых кислот - нуклеазы - РНКзы и ДНКзы [1].
2
Из существующего уровня техники известен способ восстановления чувствительной поверхности чипа биосенсора путем обработки его раствором фермента, в качестве которого используют раствор общей фракции протеаз гепатопанкреаса камчатского краба в буфере состава трис · HCl 50 мМ, CaCl 3 мМ, NaCl 100 мМ, рН 8,0 при температуре раствора в диапазоне 35-40°C. Процесс ведут в несколько последовательных стадий путем обработки чувствительной поверхности чипа биосенсора раствором общей фракции протеаз гепатопанкреаса камчатского краба в указанном растворителе с последующей экспозицией и чередованием промывок чувствительной поверхности чипа 0,1% додецилсульфатом натрия, растворенном в том же буфере и водой [1]. По этому способу непосредственно процедура восстановления чувствительной поверхности чипа биосенсора проводится следующим образом: использованный чип биосенсора освобождают от защитной оболочки и помещают в герметически закрываемый контейнер минимального объема, достаточного, чтобы чип уместился в нем целиком. В результате достигается удовлетворительное восстановление чипа.
Недостатком данного технического решения является то, что восстановление чипов биосенсоров этим методом приводит к заметным материальным и финансовым издержкам. Дело в том, что существующие лабораторные герметичные контейнеры, способные вместить чип биосенсора, имеют объем от 30 до 50 мл, что ведет к существенному увеличению расхода восстанавливающего раствора и дорогостоящих ферментов. В то же время для восстановления чипа не нужно большое количество восстанавливающего раствора, поскольку, по самой природе ферментативных реакций, фермент не расходуется в процессе реакции, а только обеспечивает ее протекание. Таким образом, для проведения восстановления нужно только то количество восстанавливающего раствора, которое обеспечит смачивание восстанавливаемой поверхности и перемешивание, абсолютно необходимое для удаления продуктов реакции, которые, по принципу Ле Шателье, тормозят протекание реакции гидролиза.
Для повышения экономичности способа восстановления чипов следует уменьшать количество восстанавливающего раствора. Принципиально такая возможность существует, поскольку чувствительная поверхность чипа составляет малую часть (менее 1 процента) от его полного размера. Непосредственно чувствительная поверхность представляет собой квадрат со стороной около 8 мм. Для его полного покрытия восстанавливающим раствором с запасом достаточно всего 100-200 мкл. Но просто поместить на чувствительную поверхность каплю раствора недостаточно. Необходимо довольно интенсивное перемешивание раствора, иначе скорость реакции, ограниченная диффузией, уменьшится в несколько десятков раз, а раствор будет высыхать в процессе работы, и его потребуется добавлять. Кроме того, необходимо учитывать, что чувствительная поверхность чипа биосенсора представляет собой гелеобразный слой декстрана, который повреждается при малейшем прикосновении перемешивающего элемента магнитной мешалки. Свободный перемешивающий элемент магнитной мешалки имеет непредсказуемую траекторию движения и склонность к скачкам и переворачиванию при затрудненном вращении. Поэтому конструкция перемешивающего элемента и гнезда, в котором он вращается, должна полностью исключать возможность соприкосновения чувствительной поверхности чипа биосенсора и перемешивающего элемента в любой момент сборки устройства, подготовки к работе и при самом процессе восстановления.
Известны также устройства, реализующие принцип ограничения площади и объема, в котором производится воздействие на обрабатываемый объект, например ограничение зоны электрохимического травления путем удержания электролита от растекания по детали за счет смачиваемого наконечника электрода [2], а также методом экономии электролита за счет того, что он помещался только в углубления и полости детали, подлежащие обработке [3, 4].
Недостатками данных технических решений являются недостаточная экономическая эффективность, а также отсутствие принудительного перемешивания раствора, что препятствует получению технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является значительное (более чем в 100 раз) снижение расхода восстанавливающего раствора при гарантированной защите чувствительной поверхности чипа биосенсора от механических повреждений.
В соответствии с изобретением описывается устройство для восстановления чувствительной поверхности чипа биосенсора путем обработки его восстанавливающим раствором, включающее основу и крышку, при этом основа имеет углубление, соответствующее размеру чувствительной поверхности чипа, и снабжена направляющими выступами для вставления чипа биосенсора и надевания крышки устройства а также отверстиями для стягивающих винтов, а крышка имеет направляющие отверстия, отверстия для стягивающих винтов и сквозное гнездо ступенчатой формы для магнитного перемешивающего элемента, выполненное широкой частью наружу, в которое вставлен магнитный перемешивающий элемент ступенчатой формы широкой частью наружу, в широкой части которого закреплена магнитная пластинка, где размер отверстия нижней части сквозного гнезда соответствует размеру чувствительной поверхности чипа, при этом крышка снабжена предназначенным для введения и замены восстанавливающего раствора вводным каналом, выполненным таким образом, что один его конец через нижнюю часть стенки ступенчатого гнезда выходит в рабочую зону устройства, а другой конец выходит на поверхность крышки, при этом между основой устройства и крышкой устройства располагается упругий герметизирующий элемент, ограничивающий рабочую зону устройства и имеющий в центре отверстие, соответствующее размеру чувствительной поверхности чипа биосенсора.
Сквозное гнездо для перемешивающего элемента описываемого устройства преимущественно выполнено в виде ступенчатого цилиндра широкой частью наружу, и перемешивающий элемент описываемого устройства также выполнен в виде ступенчатого цилиндра, узкая часть которого направлена к обрабатываемой поверхности чипа биосенсора.
Герметизирующий элемент преимущественно выполнен в виде упругого кольца из полимерного материала, и стягивание основы и крышки осуществляется с помощью резьбовых шпилек с гайками-барашками.
Устройство имеет такую конструкцию, при которой одной из поверхностей, ограничивающих рабочую зону устройства, является чувствительная поверхность чипа биосенсора, другой поверхностью, ограничивающей рабочую зону устройства, является внутренняя поверхность упругого герметизирующего элемента и третьей поверхностью, ограничивающей рабочую зону устройства является нижняя поверхность узкой части перемешивающего элемента. При этом для лучшего перемешивания нижняя поверхность узкой части перемешивающего элемента имеет выступы и впадины.
Наружный конец вводного канала для замены и введения восстанавливающего раствора имеет расширение, в котором располагается эластичный уплотняющий элемент.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность восстановления чувствительной поверхности чипа оптического биосенсора с минимальным расходом растворов и реактивов.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
На Рис. 1 показана фотография устройства в сборе.
На Рис. 2 показан чертеж основы устройства.  На рисунке цифрами обозначено:
1 - направляющие выступы, обеспечивающие правильную сборку устройства;
2 - углубление для чувствительной поверхности чипа;
3 - отверстие для стягивающих винтов.
На Рис. 3 показан чертеж корпуса устройства. На рисунке цифрами обозначено:
4 - отверстие для направляющих выступов базы;
5 - углубление для герметизирующего элемента;
6 - канал для замены восстанавливающего раствора;
7 - уплотняющий элемент;
8 - гнездо ступенчатой формы для перемешивающего элемента.
На Рис. 4 показан чертеж перемешивающего элемента. На рисунке цифрами обозначено:
9 - вклеенный магнит;
10 - перемешивающая поверхность.
На Рис. 5 показана схема устройства в разборе. На рисунке цифрами обозначено:
11 - базовая деталь устройства;
12 - чип биосенсора;
13 - герметизирующий элемент;
14 - корпус устройства;
15 - перемешивающий элемент;
16 - уплотняющий элемент;
17 - затяжные гайки;
18 - затяжные винты.
Устройство состоит из прочной основы (Рис 2), на которой расположены направляющие выступы (1), обеспечивающие правильное расположение деталей устройства и чипа при сборке, а также имеется соответствующее размеру чувствительной поверхности чипа углубление, и крышки устройства (Рис 3), в которой имеются отверстия для направляющих выступов базы (4), располагается углубление для герметизирующего элемента (5), имеется канал для замены восстанавливающего раствора (6), уплотняющий элемент (7), гнездо ступенчатой формы для перемешивающего элемента (8).
Перемешивающий элемент (Рис 4) снабжен вклеенным магнитом (9).
Для стягивания или сжимания крышки и основы используют зажимные винты и гайки-барашки.
Пример, иллюстрирующий работу устройства
Работает устройство следующим образом. На основу устройства помещают чип биосенсора, освобожденный от защитной оболочки. Чип надевают на направляющие выступы основы, что обеспечивает его правильное расположение точно в углублении, соответствующем размеру чувствительной поверхности чипа. В крышке устройства или над размещенным в углублении основы чипом помещают кольцеобразный упругий герметизирующий элемент, отверстие которого соответствует чувствительной поверхности чипа, после чего крышку надевают на направляющие выступы основы. Крышку и основу устройства прочно стягивают винтами и гайками-барашками. В гнездо крышки помещают перемешивающий магнитный элемент. Собранное устройство помещают на рабочую поверхность лабораторной магнитной мешалки. Скорость вращения мешалки устанавливают от 50 до 200 оборотов в минуту. Температуру рабочей поверхности мешалки устанавливают от 30 до 40°C. Через вводной канал с помощью соответствующей пипетки вносят примерно 300 мкл ферментативного восстанавливающего раствора. После должного времени инкубации производят замену растворов в соответствии с методикой, указанной в патенте [1]. После завершения указанных процедур чувствительная поверхность чипа полностью готова к повторному использованию. Устройство разбирают, чип извлекают, промывают дистиллированной водой, продувают сжатым воздухом и помещают в защитную оболочку. Если предполагается длительное хранение чипа перед использованием, то рекомендуется поместить его в небольшой пакет из полиэтиленовой пленки, пакет продуть азотом и немедленно запаять.
Конструкция устройства полностью исключает возможность повреждения чувствительной поверхности чипа.
Поскольку ступенчатое гнездо предохраняет перемешивающий элемент от перекашивания, на поверхность лабораторной магнитной мешалки можно поместить несколько устройств (испытано до 4), что увеличивает производительность восстановления чипов в соответствующее число раз.
Следует отметить, что в помещенном в данное устройство чипе удаление ранее иммобилизованного компонента с чувствительной поверхности чипа происходит на 96-99,7%; при этом затрачивается 300 мкл восстанавливающего раствора (что в 100 раз меньше по сравнению с восстановлением чипа вне устройства - в специальной емкости). Время реакции составило 4 ч.
Устройство, на котором проводилось испытание работоспособности и эффективности, было изготовлено методом 3D печати на 3D принтере Objet24 из материала Vero White.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Способ восстановления чувствительного слоя биосенсора (RU 2524438).
2. Способ травления материалов (RU 2299934).
3. Способ и устройство для локальной электрохимической обработки кромок каналов (RU 2303087).
4. Способ изготовления закрытых каналов и устройство для его реализации (RU 2333080).