Портативный анализатор биологически активных соединений в растворах

Портативный анализатор биологически активных соединений в растворах
Полезная модель относится к области аналитической биохимии, более конкретно, к устройствам для анализа биологически активных соединений в растворах и может найти применение в пищевой, фармацевтической, биотехнологической промышленности, в медицинской диагностике, в том числе, при селективном анализе различных продуктов и веществ на наличие карбаматов, пестицидов, тяжелых металлов, при определении в растворах этилового спирта, глюкозы и сахарозы.
Известен портативный анализатор p-D-глюкозы в растворах, содержащий сменный одноразовый электрохимический датчик, подключенный к измерительному блоку со средствами отображения результатов измерений на жидкокристаллическом индикаторе (см. Handbook of Biosensors and Electronic Noses Medicine , Food, and the Environment, Edited by Erika Kress-Rogers, CRC, Press, New York, 1997, p. 252).
В известном анализаторе на электроды датчика планарного типа нанесена пленка. содержащая фермент глюкозооксидазу. Анализатор выполнен в виде компактного устройства с выступающими электродами, на которые наносят каплю исследуемого раствора.
Недостатком такого устройства является то, что с его помощью, в частности, нельзя проводить качественный и количественный анализ биологически активных фосфорорганических соединений и других нейротоксинов в различных отраслях биотехнологии.
Наиболее близким техническим решением является устройство для анализа нейротоксичных соединений в растворах, содержащее электрохимический датчик, подключенный к измерительному блоку со средствами управления и отображения результатов измерений, по крайней мере, одну реакционную ячейку и средства для подачи в нее растворов и реагентов (см. Till Т. Bachman et al. Biosensors & Bioelectronics, 2000, 15, с. 193 - прототип).
Известный анализатор нейротоксинов является стационарным прибором для анализа растворов в лабораторных условиях. Матрица реакционных ячеек анализатора и измерительный блок проточного типа имеют средства для подачи в них растворов и реагентов с помощью координатного пробоотборника и перистальтического насоса.
К недостаткам известного анализатора следует отнести невозможность измерений в биологических растворах и технологических средах, наряду с нейротоксинами, глюкозы, сахарозы и этилового спирта, кроме того, подобный анализатор имеет значительную массу и габариты, что исключает его использование в полевых условиях.
МКИ7G01N35 00
C12Q  C12M
Решаемой задачей является создание портативного полуавтоматического анализатора для эффективного качественного и количественного анализа в биологических и технологических растворах биологически активных соединений, в том числе, нейротоксичных соединений, ионов тяжелых металлов, этилового спирта, глюкозы и сахарозы для использования в практике медицинской диагностики, промышленной биотехнологии и экологического мониторинга.
Указанная задача решается тем, что в портативном анализаторе биологически активных соединений в растворах, содержащем электрохимический датчик, подключенный к измерительному блоку со средствами управления и отображения результатов измерений, по крайней мере, одну реакционную ячейку и средства для подачи в нее растворов и реагентов, согласно полезной модели, анализатор содержит, по крайней мере, одну тест-кассет) реагентов для последовательного анализа испытуемого раствора, электрохимический датчик имеет центральный платиновый и периферийный хлорсеребряный электроды, соединенные с первым входом микропроцессора через блок преобразования и усилитель постоянного тока, второй вход микропроцессора соединен с выходом блока включения анализатора, выход микропроцессора соединен с входом индикатора результатов измерений, причем тесткассета содержит ячейки с набором реагентов в твердом и/или жидком состоянии, размещенных в ячейках кассеты в виде таблеток, ампул или носителей с иммобилизованными на них реагентами, расположенными в пронумерованном порядке, определяемом типом анализируемых соединений, а реакционная ячейка анализатора выполнена в виде емкости стандартного объема для размещения в ней анализируемого раствора и необходимых реагентов из ячеек тест кассеты.
Кроме того, для определения общей нейротоксичности раствора, тест-кассета может содержать четыре ячейки с реагентами, стандартизованными по количеству и активности и расположенными в порядке их применения: компоненты буферного раствора на основе HEPES и KCI; фермент бутирилхолинэстераза; бутирилхолин; фермент холиноксидаза.
Кроме того, для определения этилового спирта в растворе, тест-кассета может содержать две ячейки с реагентами, стандартизованными по количеству и активности и расположенными в порядке их применения: компоненты буферного раствора на основе HEPES и КС1; фермент алкогольоксидаза.
Кроме того, для определения p-D-глюкозы в растворе, тест-кассета может содержать две ячейки с реагентами, стандартизованными по количеству и активности и расположенными в порядке их применения: : компоненты буферного раствора на основе HEPES и KCI; фермент глюкозооксидаза.
Кроме того, для определения сахарозы в растворе, тест-кассета может содержать четыре ячейки с реагентами, стандартизованными по количеству и активности и расположенными в порядке их применения: компоненты буферного раствора на основе HEPES и КС1; фермент инвертаза; фермент мутаротаза; фермент глюкозооксидаза.
Кроме того, тест-кассета может быть снабжена дополнительной ячейкой, размещенной перед ячейками основных реагентов и содержащей жидкий реагент - воду или бромную воду.
Кроме того, электрохимический датчик может быть дополнительно снабжен биосенсорной мембраной, закрывающей оба электрода с иммобилизованной на ней, по крайней мере, одним, выделенным из состава тест-кассеты, ферментом.
Кроме того, микропроцессор может содержать дополнительный порт связи с персональным компьютером для автоматизации анализа результатов измерений.
Кроме того, блок отображения результатов измерений может содержать жидкокристаллический индикатор для передачи количественной информации или цветные светодиоды для качественной оценки результатов измерений в полевых условиях.
Такое выполнение устройства позволяет решить поставленную задачу создания портативного полуавтоматического анализатора для быстрого качественного и количественного селективного анализа персоналом обычной квалификации широкого класса биологически активных соединений в практике медицинской диагностики, промышленной биотехнологии и экологического мониторинга.
В предложенном анализаторе используется известный метод определения нейротоксичных соединений, способных ингибировать холинэстеразу, то есть снижать ее активность. Определение активности холинэстеразы проводится при фиксированном значении рН и состава буферного раствора с использованием субстрата бутирилхолина. Для измерения образующегося в ходе ферментативной реакции холина используется вторая ферментативная реакция с участием фермента холиноксидазы. После инкубации с последним, накопившийся в пробе холин превращается в бетаин и перекись водорода, которая измеряется непроточным электрохимическим элементом, опорный электрод которого выполнен хлорсеребряным, а активный - платиновым.
Наличие в анализаторе стандартного пронумерованного набора реагентов в ячейках тест-кассеты для проведения анализов биологически активных растворов позволяет сравнительно просто проводить указанные измерения в различных областях биотехнологии, при оценке содержания опасных соединений в питьевой воде и в биологических растворах в практике медицинской диагностики.
Микропроцессор измерительного блока автоматизирует практически всю работу по анализу результатов измерений, оставляя оператору только загрузку реакционной ячейки растворами и реагентами из пронумерованных ячеек тест-кассеты в соответствии с программой конкретных измерений биологически активных соединений в растворах.
Блок схема конкретного варианта выполнения портативного анализатора приведена на фиг.1.
Портативный анализатор биологически активных соединений в растворах содержит электрохимический датчик 1, подключенный к измерительному блоку 2 со средствами управления и отображения результатов измерений, по крайней мере, одну реакционную ячейку 3 и первую тест-кассету 4 для размещения в ее ячейках реагентов 5 для последовательного анализа испытуемого раствора.
Электрохимический датчик 1 содержит центральный платиновый и периферийный хлорсеребряный электроды 6,7, соединенные коаксиальным кабелем 8 с первым входом микропроцессора 9 через блок преобразования 10 и усилитель постоянного тока 11, второй вход микропроцессора 9 соединен с выходом блока 12 включения анализатора, а выход микропроцессора 9 соединен с входом жидкокристаллического индикатора 13 результатов измерений.
Основные компоненты портативного анализатора могут быть размещены в закрывающемся корпусе 14. Устройство может быть выполнено с автономным питанием измерительного блока 2 или с питанием от сети (не показаны). Кроме того, микропроцессор 9 измерительного блока 2 может содержать дополнительный порт 15 связи с персональным компьютером для автоматизации обработки результатов измерений.
Тест-кассета 4 содержит ячейки с набором реагентов 5 в твердом  жидком состоянии, размещенных в пространстве или ячейках кассеты в виде таблеток, ампул или абсорбирующих носителей с иммобилизованными на них реагентами. В данном случае таблетки 5 реагентов расположены в тест-кассетах 4, выполненных в виде прозрачных вертикальных капсул, в пронумерованном порядке, определяемом типом анализируемых соединений.
На фиг. 1 изображена первая тест-кассета 4 с четырьмя реагентами 5, предназначенных для определения общей нейротоксичности биологически активных растворов. Реагенты 5 стандартизованы по количеству и активности и расположены в порядке их применения снизу вверх: 1 - компоненты буферного раствора на основе HEPES, КС1; 2 - фермент бутирилхолинэстераза; 3 - бутирилхолин; 4 - фермент холиноксидаза. Кроме того, тесткассета 4 может быть снабжена дополнительной ячейкой 16, размещенной перед ячейками основных реагентов и содержащей жидкий реагент - воду или бромную воду.
При этом реакционная ячейка 3 анализатора выполнена в виде емкости стандартного объема для размещения в ней анализируемого раствора, дополнительного реагента из ячейки 16 и необходимых реагентов 5 из ячеек тест-кассеты 4.
Па фиг. 1 изображена также вторая тест-кассета 17 для определения этилового спирта в растворе, которая содержит две ячейки со следующими реагентами, стандартизованными по количеству и активности и расположенными в порядке их применения: 1 - компоненты буферного раствора на основе ПЕРЕ8 и KCI; 2 - фермент алкогольоксидаза.
Для определения p-D-глюкозы в растворе, третья тест-кассета (не показана) содержит две ячейки со следующими реагентами, стандартизованными по количеству и активности и расположенными в порядке их применения: 1 - компоненты буферного раствора на основе HEPES и КС1; 2 - фермент глюкозооксидаза.
Для определения сахарозы в растворе, четвертая тест-кассета (не показана) содержит четыре ячейки со следующими реагентами, стандартизованными по количеству и активности и расположенными в порядке их применения: 1 - компоненты буферного раствора на основе HEPES и КС1; 2- фермент инвертаза; 3 - фермент мутаротаза; 4 - фермент глюкозооксидаза.
Для расширения функциональных возможностей, электрохимический датчик может быть дополнительно снабжен биосенсорной мембраной (не показана), закрывающей оба электрода с иммобилизованной на ней, по крайней мере, одним, выделенным из состава тесткассеты 4 реагентом.
В качестве блока 13 отображения результатов измерений может использоваться жидкокристаллический индикатор для передачи количественной информации или линейка цветных светодиодов для качественной оценки результатов измерений в полевых условиях.
Средство для подачи анализируемой пробы и жидких реагентов в реакционную ячейку 3 может быть выполнено в виде обыкновенных сменной пипетки или шприца (не показаны).
В качестве преобразователя 10 используется - AD820AR, жидкокристаллического индикатора 13 - двух строчный дисплей POWER TIP. Микропроцессор 9 выполнен на базе ADuC824QS.
Портативный анализатор работает следующим образом.
На примере измерения общей нейротоксичности раствора измерительный цикл начинается с заполнения оператором с помощью пипетки реакционной ячейки 3 исследуемым раствором в количестве 1 мл.
Затем после нажатия на блоке 12 кнопки включения начала измерений в реакционную ячейку с пробой 25 мкл дополнительного жидкого реагента (бромная вода) из ячейки 16. Затем с временным промежутком по сигналам индикатора 13 в реакционную ячейку 3 опускают таблетку первого реагента - компоненты буферного раствора на основе HEPES. КС1, второго реагента - фермент бутирилхолинэстераза, далее таблетку третьего реагента бутирилхолин и затем таблетку четвертого реагента - фермент холиноксидаза.
В соответствии с программой микропроцессора 9, анализируемая проба инкубируется заданное время с холинэстеразой, и затем с бутирилхолином. После инкубации с последни.м, накопившийся в пробе холин взаимодействует с ферментом холиноксидазой и превращается в бетаин с выделением перекиси водорода.
Электрохимический датчик 1 измерительного блока 2 измеряет ее количество. Выходной сигнал с выхода блока 1 поступает через преобразователь 10 ток-напряжение и усилитель 11 на первый вход микропроцессора 9 и, после пересчета, на жидкокристаллический индикатор 13.
После окончания измерений тест-кассету 4 заменяют на новую, реакционную ячейку 3 и пипетку промывают или заменяют.
Концентрация нейротоксина в исследуемой пробе рассчитывается микропроцессором 9 по отношению сигналов от измеряемой пробы и ранее измеренной контрольной пробы. На дисплее 13 появляется информация о превышении ПДК измеренного токсина данной пробы относительно контрольной пробы без токсина.
Аналогично, в соответствии с тест-кассетой для анализа конкретного биологически активного соединения, осуществляется цикл измерений при определении p-D-глюкозы. сахарозы и этилового спирта.
Фосфорорганические соединения и карбаматы широко применяются в промышленности, сельском хозяйстве, в быту в качестве пестицидов. Эти веш,ества обладают сильным нейротоксическим действием на людей и животных, поэтому проблема анализа соединений данного класса и подобных им приобретает особое значение для охраны здоровья населения и окружающей среды.
В настоящее время актуален строгий контроль качества спиртных, пищевых и вкусовых продуктов на содержание этилового спирта, p-D-глюкозы и сахарозы, а также лекарственных препаратов и продуктов биотехнологии на общую нейротоксичность.
Предложенный анализатор позволяет при сравнительно небольщих затратах выполнить указанные измерения и, кроме того, решая указанный круг задач, обладает важными преимуществами по сравнению с известными приборами аналогичного назначения.
Эксплуатация данного устройства отличается простотой и надежностью измерений, прибор позволяет проводить селективный анализ биологически активных соединений с высокой чувствительностью и избирательностью.