Оптический сенсор с плазмонной структурой для определения низких концентраций флуоресцентных аминокислот тромбоцита и способ его получения
OPTICAL SENSOR WITH A PLASMONIC STRUCTURE FOR DETERMINING LOW CONCENTRATIONS OF FLUORESCENT AMINO ACIDS IN A PLATELET AND A METHOD FOR PRODUCING IT

Изобретение относится к области физики, а именно к оптике, и представляет собой устройство - оптический сенсор, основанный на эффекте усиления флуоресценции электромагнитным полем плазмонов, генерируемых под действием сфокусированного излучения ксеноновой лампы на его поверхности. Изобретение может быть использовано в физике, медицине, биофизике.
Известны работы, являющиеся предпосылками заявляемого изобретения. Нижеприведенные примеры составляют часть предпосылок заявляемого изобретения и/или раскрывают методики, которые можно применять к некоторым аспектам заявляемого изобретения.
В частности, в работе (Akbay N. et al. Metal-enhanced intrinsic fluorescence of nucleic acids using platinum nanostructured substrates // Chemical physics letters. - 2012. - T. 548. - C. 45-50) предложен метод оптической детекции ДНК, используя эффект металл-усиленной флуоресценции платины. Представлены экспериментальные и расчетные исследования, показывающие влияние наночастиц Pt на эмиссию флуорофоров в УФ-диапазоне. В работе было проведено моделирование монетообразных наночастиц, и были изучены различные размеры наночастиц, изменяющиеся в зависимости от высоты частиц. Мы заметили, что разделенные полумонеты обеспечивают более сильное усиление ближнего поля по сравнению с монетоподобными наночастицами платины. Моделирование показало, что степень усиления излучения флуоресценции от флуорофоров, расположенных между полумонетами, увеличивается с уменьшением расстояния между полумонетами. Эти результаты показывают, что величина усиления достаточно сильно зависит от величины промежутка между полумонетами. Экспериментальные исследования показали, что присутствие наночастиц Pt приводит к увеличению интенсивности флуоресценции четырех нуклеотидов GMP, ТМР, UMP, СМР и G-квадруплекса ДНК. GMP и UMP показали самый высокий коэффициент усиления в присутствии наноструктур платины. Впервые показано, что экспериментальные и численные результаты позволяют предположить, что наноструктуры платины потенциально могут быть использованы для усиления собственной эмиссии нуклеиновых кислот. В работе (Di Mauro A. et al. Effect of Pt nanoparticles on the photo-catalytic activity of ZnO nanofibers //Nanoscale research letters. - 2015. - T. 10. - №1. - С. 1-7) показаны перспективы применения наночастиц платины в применении к нанотрубкам ZnO в смеси с наночастицами платины. В работе продемонстрировано увеличение степени фотодеградации комплеса Pt-ZnO на порядка 40% благодаря плазменной энергии наночастиц платины. Показано увеличение флуоресцении красителя, находящегося в контакте с комплексом. В работе (Langhammer С. et al. Plasmonic properties of supported Pt and Pd nanostructures // Nano letters. - 2006. - T. 6. - №4. - C. 833-838) представлены результаты исследований поверхностного плазмонного резонанса, индуцируемого на платиновых и палладиевых нанодисках. Показано, что плазмонный резонанс может быть индуцирован в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Авторы работы продемонстрировали возможность настройки максимума плазмонного резонанса в зависимости от метода изготовления структур.
За прототип выбрано изобретение «Сенсорный элемент и способ детектирования изменения состава исследуемой жидкости или газообразной среды» (патент RU №2637364, 2017 г., G01N 21/55), предназначенное для измерения и анализа концентраций, газообразных и жидких сред и основанное на возбуждении плазмонов на границе раздела сред: сенсорная поверхность/исследуемая среда (диэлектрик). Наноструктурированный материал включает последовательно расположенные полимерную подложку, по крайней мере один слой из ферромагнитного материала и один слой из благородного металла, в составе которого может быть и платина. Данное изобретение относится к способам и устройствам для измерения и анализа концентраций газообразных и жидких сред. Сенсорный элемент для детектирования изменения состава исследуемой жидкой или газообразной среды представляет собой многослойный наноструктурированный материал с сенсорной поверхностью, выполненный в виде дифракционной решетки с периодом от 300 до 3000 нм, обеспечивающей возможность возбуждения на границе раздела сенсорная поверхность/исследуемая среда (диэлектрик) поверхностных плазмон-поляритонов. Наноструктурированный материал включает последовательно расположенные полимерную подложку, по крайней мере один слой из ферромагнитного материала и один слой из благородного металла. При реализации способа детектирования изменения состава исследуемой жидкой или газообразной среды описанный выше сенсорный элемент помещают в емкость с исследуемой средой с обеспечением прямого непосредственного контакта сенсорной поверхности сенсорного элемента и исследуемой среды. Затем сенсорный элемент подвергают ТМ-поляризованному оптическому облучению длиной волны λ=400-3000 нм под углом падения θ в диапазоне 15-70° для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов. При этом сенсорный элемент намагничивают переменным магнитным полем частотой 10-200 Гц в продольной геометрии, затем регистрируют интенсивность отраженной от сенсорной поверхности электромагнитной волны при помощи фотоэлектронного умножителя и анализируют с использованием экваториального эффекта Керра, в результате чего при выявлении сдвига положения минимума относительно шкалы длины волны в спектре отраженной волны по длине волны делают вывод об изменении состава исследуемой среды. Технический результат заключается в повышении чувствительности и разрешающей способности сенсора, а также в упрощении схемы реализации способа и обеспечении возможности встраивания сенсорного элемента в биочипы за счет уменьшения его размеров.
Несовершенство данного изобретения заключается в технологической сложности изготовления подобного сенсора, что также обуславливает его высокую стоимость. Другим недостатком сенсора является невозможность использования данного изобретения в ультрафиолетом диапазоне длин волн спектра (λ=400-3000) нм. Третьим недостатком является необходимость использования комбинированных методик, основанных на оптике и магнетизме, что накладывает повышенные требования к регистрирующей отклик сенсора системе. Вышеизложенное ограничивает применение данного изобретения в диагностики биомолекул in vitro и in vivo.
-5
-6
Задачей заявляемого изобретения является создание и применение сферических наночастиц платины для регистрации сигнала усиленного флуоресцентного сигнала от оптически активных аминокислот тирозина и фенилаланина (до 10 раз) с помощью электромагнитного поля плазмонов, генерируемых под действием непрерывного излучения с длиной волны λ=280 нм. Данное изобретение позволяет усиливать сигнал от малых (до 10 М - 10 М), близких к физиологическим концентраций флуоресцентных аминокислот (тирозина, фенилаланина), содержащихся в клетках и белках живых организмов.
Поставленная задача решается тем, что оптический сенсор с плазмонной структурой для определения низких концентраций флуоресцентных аминокислот тромбоцита является наночастицей платины, стабилизированной этиленгликолем и синтезированной методом полиольного синтеза водной фазе, согласно изобретению, включает в себя коллоидный водный раствор стабилизированных наночастиц платины размером 28 нм, помещенных в пластиковую пробирку.
2
6
3
Поставленная задача решается тем, что в способе получения оптического сенсора с плазмонной структурой для определения низких концентраций флуоресцентных аминокислот тромбоцитаА при котором, создают сферическую плазмонную структуру, содержащую коллоидный раствор платиновых наночастиц, согласно изобретению, помещают 1 мл HPtCl разбавленной в этиленгликоле, доведенной до концентрации 80 мМ в колбу, затем добавляют к 7 мл этиленгликоля последовательно 30 мМ поливинилпирролидона и 30 мМ NaNO, и доводят, при этом, температуру системы до 160°С, при одновременном перемешивании раствора на протяжении 15 минут, с использованием обратного холодильника, получая таким образом стабилизированный коллоидный раствор наночастиц платины размером 28 нм и применяя этот раствор для детекции микромолярных концентраций тирозина, фенилаланина и триптофана.
Созданный заявляемым способом оптический сенсор с плазмонной структурой позволяет получат усиленный и повторяемый сигнал флуоресценции от оптически активных аминокислот (тирозина, фенилаланина) в микромолярных концентрациях, произведя, таким образом, его детекцию.
На фиг. 1 представлены химически приготовленные наночастицы платины.
2
6
3
Заявленный способ основан на создании структуры с использованием эффекта поверхностного плазмонного резонанса и последующей чувствительной детекции аминокислот, заключающийся в получении плазмонных наночастиц химическим (метод полиольного синтеза) методом (Фиг. 1), помещая 1 мл HPtCl разбавленной в этиленгликоле в колбу, затем доводя до концентрации 80 мМ и, после чего, добавляя к 7 мл этиленгликоля, в котором растворены 30 мМ PVP и 30 мМ NaNCO, при общей температуре системы 160°С, достигаемой посредством нагрева на магнитной мешалке. С помощью мешалки, одновременно осуществляют перемешивание на протяжении 15 минут, при постоянной температуре 160°С, с использованием обратного холодильника. В заключение процесса синтеза производят разбавление раствора наночастиц в 40 раз.
На фиг. 2 представлена зависимость интенсивности флуоресценции от объема платиновых наночастиц для аминокислот Phe (а).
На фиг. 3 представлена зависимость интенсивности флуоресценции от объема платиновых наночастиц для аминокислот Tyr (б).
-5
-6
После синтеза раствор приобретал серо-коричневый цвет. Распределение гидродинамического радиуса полученных наночастиц в максимуме было равно 28 нм и было измерено методом динамического рассеяния света на установке PhotoCorr Complex (ООО «ФотоКорр», Россия). Плазмонная активность наночастиц проверялась на спектрофотометре UV-2600 (Shimadzu, Япония), где и была зарегистрирована полоса поглощения плазмонов платины в максимуме при λ=260 нм. После синтеза наночастиц готовились растворы аминокислот: В зависимости от молекулярной массы получали навески тирозина и фенилаланина и растворяли их в воде до базовой концентрации 0,01 М, а затем получали рабочие растворы 10 М, 10 М данных соединений. Для исследования работы предложенного решения, проводили исследования флуоресценции комплексов платина - аминокислота. Была выбрана химически синтезированная платина, которая была разбавлена в 40 раз. Затем, для формирования комплексов, в кварцевую кювету наливалось 3 мл ароматической аминокислоты и варьируемое количество платины: 0,1 мкл; 0,2 мкл; 0,5 мкл; 0,7 мкл; 0,9 мкл; 1,5 мкл; 2 мкл; 5 мкл; 10 мкл; 50 мкл; 100 мкл; 500 мкл; 1000 мкл. Для каждого шага производилась съемка спектра флуоресценции с одновременной съемкой контроля аминокислоты без наночастиц, после чего, оценивалась разница интенсивности свечения образца и контроля (Фиг. 2, Фиг. 3).
Использование заявленного изобретения позволяет осуществлять усиление флуоресцентного сигнала от микромолярных концентраций оптически активных аминокислот тирозина и фенилаланина.