Способ определения концентрации аналита в растворе с помощью функционализированных наночастиц и динамического рассеяния света
METHOD OF DETERMINING ANALYTE CONCENTRATION IN SOLUTION USING FUNCTIONALISED NANOPARTICLES AND DYNAMIC LIGHT SCATTERING

Изобретение относится к области химического анализа жидкостей оптическими методами, а именно, к способам определения концентрации аналита методом динамического рассеяния света.
При синтезе наночастиц и многих их приложениях важно контролировать их агрегацию (коагуляцию), т.е. объединение в агрегаты, состоящие из нескольких частиц. В тех случаях, когда необходимо использовать одиночные наночастицы, процессы агрегации являются нежелательными. Коагуляцию стремятся избежать при синтезе и хранении наночастиц, а в тех случаях, когда она все же происходит, прибегают к дезагрегации в ультразвуковых ваннах или с помощью стержневого ультразвукового диспергатора.
С другой стороны, в настоящее время разрабатываются оптические наносенсорные системы, принцип действия которых основан на специфической агрегации наночастиц-зондов, вызываемой аналитом, присутствующим в коллоидной системе. Для контроля этой агрегации используются различные оптические методы.
Из уровня техники известен способ определения концентрации аналита с помощью гетерогенной системы проточного анализа, в которой поток, содержащий аналит жидкости, проходит над подложкой с реагентами, на которой имеются три зоны - зона образца, зона носителя конкурентного комплекса и зона тестирования (см. патент KR 101548284, кл. G01N 33/53, опубл. 28.08.2015). В известном способе носитель конкурентного комплекса представляет собой достаточно сложный нанообъект, включающий субмикронную частицу (диаметром от 200 до 500 нм), биомолекулу с аналогичными аналиту характеристиками связывания и молекулу-метку, являющуюся источником оптического сигнала (например, флуоресцентного). Основным недостатком известного способа является высокая трудоемкость его реализации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения концентрации аналита, включающий добавление в исходный раствор наночастиц, функционализированных антителами к определяемому аналиту, инкубацию смеси, определение среднего гидродинамического радиуса частиц в полученной смеси методом динамического рассеяния света и определение с помощью градуировочного графика концентрации аналита в исходном растворе по полученному гидродинамическому радиусу (см. патент RU 2677703, кл. G01N 21/21, опубл. 21.01.2019). В известном способе увеличение концентрации аналита в растворе приводит к усилению агрегации, и, следовательно, к увеличению гидродинамического радиуса наночастиц. Это достигается за счет функционализации наночастиц - закрепления на поверхности молекул-рецепторов, способных к специфическому связыванию с молекулами аналита. В качестве рецепторов часто используются антитела на соответствующие аналиты. При этом молекулы аналита выполняют роль «мостика» между функционализированными наночастицами, способствуя объединению их в агрегаты. Основным недостатком известного способа является ограниченный диапазон определяемых концентраций (не более двух порядков): он эффективен при определении высокомолекулярных веществ, но для низкомолекулярных веществ его чувствительность существенно снижается.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание простого, надежного и универсального способа определения широкого класса аналитов. Технический результат заключается в повышении чувствительности для низкомолекулярных соединений и расширении диапазона определяемых концентраций. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения концентрации аналита в исходном растворе, содержащем следующую последовательность действий: а) добавляют в исходный раствор конъюгаты на основе наночастиц, функционализированных антителами к определяемому аналиту, б) инкубируют смесь, в) определяют средний гидродинамический радиус конъюгатов в полученной смеси методом динамического рассеяния света, и г) используя градуировочный график, по полученному на этапе в) гидродинамическому радиусу определяют концентрацию аналита в исходном растворе, между этапами б) и в) дополнительно добавляют в смесь конъюгаты на основе тех же наночастиц, функционализированных молекулами самого аналита, и повторно инкубируют полученную смесь, после чего на этапе в) определяют средний гидродинамический радиус для агрегировавших комплексов различно функционализированных наночастиц. На этапе г) градуировочный график может быть аппроксимирован линейной или параболической зависимостью гидродинамического радиуса частиц в полученной смеси от логарифма концентрации аналита в исходном растворе. На этапе б) инкубацию предпочтительно проводят в течение 3-5 минут при температуре 25°С, а повторную инкубацию - в течение 20-30 минут при 37°С. В качестве основы для конъюгатов предпочтительно используют наночастицы золота, латекса или магнитного материала.
На фиг. 1 представлена схема агрегации конъюгатов на стадии повторной инкубации при низкой концентрации аналита (точки) с образованием больших агрегатов;
на фиг. 2 - то же, что на фиг. 1 при высокой концентрации аналита (точки) с образованием небольших агрегатов;
на фиг. 3 - экспериментально определенные зависимости приращения среднего гидродинамического диаметра (удвоенного радиуса) от времени при различных концентрациях аналита,;
на фиг. 4 - зависимости гидродинамического диаметра (удвоенного радиуса) от концентрации аналита после повторной инкубации в течение 30 минут в полулогарифмической шкале (приведенные на графиках данные получены с конъюгатами, приготовленными на основе наночастиц из трех различных материалов - золота (Gold conjugate, полтистирольного латекса - (Latexconjugate) и магнитных частиц (SPION conjugate);
на фиг. 5 - то же, что на фиг. 4 в линейной шкале (конъюгаты на основе магнитных частиц).
Предлагаемый способ определения концентрации аналита реализует новый подход к построению оптического наносенсора на основе динамического рассеяния света, при котором пробоподготовка проводится в две стадии.
На первой стадии в исходный раствор добавляют коллоидный раствор наночастиц золота, латекса или магнитного материала (этап а), после чего инкубируют смесь в течение 3-5 минут при комнатной температуре (этап б). Поверхность наночастиц на этой стадии функционализирована антителами к определяемому аналиту - конъюгат А. Во время инкубации молекулы аналита связываются с антителами, поэтому количество свободных антител на поверхности конъюгата А уменьшается. Если все молекулы аналита связаны, средняя доля вакантных антител на поверхности конъюгата А может быть выражена как
с
A
0
Av
-3
где n_ - счетная концентрация конъюгатов А, (см), η - общее количество антител на наночастицу, С - молярная концентрация аналита, N - число Авагадро.
Малые молеклулы аналита движутся и, соответственно, связываются с антитителами на поверхности конъюгата, гораздо быстрее, чем наночастицы. Поэтому агрегация самих функционализированных наночастиц между собой за счет соединяющих их «мостиков» из молекул аналита при данных условиях (короткое время инкубации и комнатная температура) не происходит (в молекулярной биологии, биохимии и фармакологии термин «малые молекулы» обозначает химические соединения со сравнительно малой молекулярной массой до 900 Дальтог; примером может быть молекула хлорамфеникола с молекулярной массой 332 Дп.).
После этого на второй стадии дополнительно добавляют в смесь те же наночастицы, но функционализированные молекулами самого аналита, - конъюгат В, и повторно инкубируют полученную смесь при 37°С в течение 20-30 минут. При этом происходит агрегация наночастиц двух типов - конъюгатов А и конъюгатов В (фиг. 1-2). Скорость агрегации зависит от концентрации конъюгатов, кинетических констант ассоциации и диссоциации комплексов «антитело-молекула аналита», а также доли вакантных антител на поверхности конъюгата после воздействия. Наличие связанных на первой стадии антител на поверхности наночастиц уменьшает скорость агрегации. Таким образом, увеличение концентрации аналита приводит к уменьшению степени агрегации и, соответственно, среднего гидродинамического диаметра наночастиц, который получается по окончании повторной инкубации.
Средний гидродинамический радиус для агрегировавших комплексов различно функционализированных наночастиц в полученной смеси определяют методом динамического рассеяния света (этап в). Для практического использования, например при проведении экспресс-анализов, наибольший интерес представляет начальная стадия агрегации (первые 30-60 минут). На этой стадии преобладает образование агрегатов, состоящих из двух наночастиц (димеров). Теоретически показано, что для этой стадии зависимость среднего гидродинамического диаметра (удвоенного радиуса) смеси димеров и одиночных конъюгатов от времени можно найти по формуле
1
2
h1
h2
11
Здесь I и I - интенсивности рассеяния света единичными конъюгатами и димерами, соответственно, d и d - их гидродинамические диаметры, k - константа скорости агрегации. Для биоспецифической агрегации конъюгатов во время инкубации эта константа пропорциональна доле вакантных антител на поверхности конъюгата А.
Использование магнитных частиц позволяет применять вышеописанный способ для определения концентраций аналитов в непрозрачных средах: наночастицы могут быть извлечены из такой среды с помощью магнитного поля, а затем ресуспензированы в прозрачную жидкость и проанализированы методом динамического рассеяния света.
На последнем этапе с помощью градуировочного графика, полученного для заранее известных концентраций аналита с аналогичной пробоподготовкой, по измеренному на этапе в) гидродинамическому радиусу определяют концентрацию аналита в исходном растворе (этап г). Для упрощения обработки результатов экспериментально полученный градуировочный график аппроксимируют линейной или параболической зависимостью гидродинамического радиуса частиц в полученной смеси от логарифма концентрации аналита в исходном растворе. Как было обнаружено, такой характер зависимости имеет место только при реализации предложенного способа. При традиционной, известной из прототипа, одностадийной схеме анализа наблюдается приблизительно линейная зависимость гидродинамического радиуса от концентрации.
Пример
Для экспериментальной отработки способа в качестве аналита был выбран хлорамфеникол (cloramphenicol - САР), он же левомицетин, - антибиотик, содержание которого либо запрещено, либо жестко лимитируется в продуктах питания животного происхождения. Актуальным является также контроль антибиотиков в бутилированной питьевой воде, куда он в ряде случае незаконно добавляется недобросовестными производителями с целью «легкого» обеззараживания тары и увеличения, таким образом, периода годности бутыли с водой.
На фиг. 3 приведены полученные в эксперименте зависимости от времени приращения гидродинамического диаметра конъюгатов при разных концентрациях аналита.
Средний размер конъюгата после инкубации измеряется с использованием динамического рассеяния света. Из формулы (2) и фиг. 3 следует, что этот размер убывает с увеличением концентрации аналита в пробе. Это подтверждается данными фиг. 4, где приведены экспериментальные зависимости гидродинамического диаметра конъюгатов от концентрации аналита, измеренные по «конечной точке», после инкубации на второй стадии в течение 30 минут.
Из графиков на фиг. 4 видно, что зависимость гидродинамического диаметра от логарифма концентрации в широком диапазоне концентраций близка к линейной (более точно может быть аппроксимирована параболой). Вид этой зависимости в линейной шкале, более узком диапазоне малых концентраций, приведен на фиг. 5.
Эта зависимость может быть аппроксимирована формулой
где С - концентрация аналита;
d∞ - гидродинамический диаметр при С→∞;
0
d - гидродинамический диаметр при С=0;
k, n - градуировочные коэффициенты, подбираемые по экспериментальным данным методом наименьших квадратов.
В описанном примере с помощью предлагаемого способа были определены концентрации низкомолекулярного аналита (хорамфеникола) в диапазоне от 3 до 10000 нг/мг с точностью не хуже 10%, в то время как способ, выбранный в качестве прототипа, позволяет определять эти концентрации в гораздо более узком диапазоне, ограниченном снизу 30 нг/мл, а сверху - примерно 500 нг/мл. Меньшее на порядок значение нижней границы диапазона свидетельствует о более высокой чувствительности предложенного метода для низкомолекулярных аналитов. Повышение чувствительности достигнуто за счет введения дополнительной стадии пробоподготовки, при которой происходит объединение антител на поверхности конъюгата со свободными малыми молекулами аналита. Этот процесс происходит гораздо быстрее, чем образование агрегатов между конъюгатами, имеющими гораздо большую массу, чем молекулы аналита. Существенно более высокое значение верхней границы диапазона концентраций обеспечивается за счет того, что в применяемой двухстадийной схеме анализа имеет место достаточно плавное убывание гидродинамического радиуса конъюгатов с ростом концентрации аналита, которое может быть аппроксимировано линейной или параболической зависимостью в полулогарифмической шкале.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет существенно расширить диапазон определяемых концентраций аналита, по сравнению с традиционными способами на основе динамического рассеяния света (до 3 порядков против 1). При этом используется простая система, где проходит гомогенный (однофазный) анализ: есть только два типа конъюгатов, т.е. по разному функционализированных наночастиц, которые до функционализации были одинаковыми. Предложенный подход позволяет с высокой точностью определять концентрацию даже низкомолекулярных соединений.