Картридж для проведения высокоспецифичной детекции биомаркеров на кварцевом резонаторе

Полезная модель относится к медицинской и биологической технике, а именно к вспомогательному оборудованию для проведения безметочного анализа молекулярных взаимодействий, и может использоваться, например, при проведении исследований в области геномики, протеомики и молекулярной диагностики.
Предлагаемое к охране техническое решение разработано при выполнении прикладных научных исследований по теме: «Разработка прототипа прибора для высокоспецифической детекции биомаркеров на кварцевом резонаторе», уникальный идентификатор прикладных научных исследований – RFMEFI60715X0125, в отношении которых заключено Соглашение № 14.607.21.0125 о предоставлении субсидии Минобрнауки России.
Известен картридж для исследований биоматериала (патент RU №164923), содержащий корпус, в котором расположены ячейка для ввода исследуемого биологического образца, микрофлюидная система каналов, не менее 4 камер для исследования, в каждой из которых расположена пара электродов для измерения импеданса. При этом в трех камерах размещены индукторы, инициирующие агрегацию тромбоцитов, а четвертая реализована как контрольная.
Известный картридж предназначен исключительно для проведения исследований крови методом импедансной агрегометрии и не позволяет проводить высокоспецифичную детекцию биомаркеров в анализируемых объектах (моче, крови, слюне, модельных растворах и т.п.).
Известен, выбранный в качестве ближайшего аналога картридж для исследования биологического материала (патент US №5201215), используемый в реализации метода кварцевого микровзвешивания.
Известный картридж содержит камеру, в которой размещен кварцевый кристалл, представляющий собой круглую пластину с двумя электродами на противоположных плоскостях.
Кристаллы кварца, применяемые в рассматриваемом аналоге, изготавливаются из отполированных плоскопараллельных пластин кварца АТ-среза, на поверхностях которых сформированы электроды путем термического напыления металла в условиях высокого вакуума. Диаметр кварцевых кристаллов 2,54 см, толщина 0,33 мм, резонансная частота 5 МГц.
Кварцевые кристаллы имеют два электрода, расположенных на противоположных сторонах пластинки, причем один более крупный электрод заземлен, а на второй электрод меньшего размера подается потенциал. Больший электрод (заземленный) контактирует с контактно-проводящей полосой, которая также нанесена и на боковую поверхность кварцевой пластинки и выведена на той же плоскости, на которой расположен электрод меньшего размера, позволяя осуществлять контакт с электродами с одной стороны кварцевого кристалла.
Для проведения измерений кварцевые кристаллы установлены в алюминиевом креплении устройства. Причем устройство позволяет правильно позиционировать кварцевый кристалл, подключая ВЧ-разъем непосредственно к меньшему электроду и осуществляя заземляющее соединение с большим электродом. Контактное соединение осуществляется путем припаивания соответствующих электродов с нужными разъемами с помощью припоя, состоящего из 1:1 Pb:In. Алюминиевое крепление имеет отверстие, которое позволяет жидкости контактировать с заземленным электродом кварцевого кристалла.
Приведенное в качестве ближайшего аналога устройство не позволяет решить техническую проблему проведения высокоспецифичной и чувствительной детекции биомаркеров, поскольку методика проведения анализа не позволяет дифференцировать осаждаемые на поверхности молекулы. Кроме того, в рассматриваемом аналоге используются кварцевые кристаллы с резонансной частотой 5 МГц, имеющие большие размеры и специфическую геометрию электродов. Данные кварцевые кристаллы не позволят достигнуть необходимой чувствительности.
К недостаткам приведенного ближайшего аналога также относится то, что это инструмент многократного использования, а это значит, что не предотвращается попадание потенциально зараженной пробы на рабочее место или одежду оператора, проводящего анализ. Кроме того, отсутствие в конструкции технологических решений для точного дозирования исследуемого образца в ячейке с кварцевым кристаллом также является недостатком.
Заявляемое техническое решение направлено на решение проблемы создания вспомогательных устройств для проведения высокоспецифичной чувствительной детекции биомаркеров методом выявления разрыва связи на кварцевом кристалле.
Техническим результатом разработки является достижение высокой чувствительности и специфичности детекции биомаркеров в анализируемых жидкостях, представляющих образец белковой и нуклеиновой природы.
Технический результат достигается тем, что картридж для проведения высокоспецифичной детекции биомаркеров на кварцевом резонаторе содержит корпус, в котором сформированы соединенные между собой через микрофлюидную систему каналов, ячейка для ввода исследуемого образца и аналитическая ячейка, содержащая кварцевый резонатор, представляющий собой полированную кварцевую пластину АТ-среза круглой формы с диаметром 0,85 см с обеих сторон которой расположены электроды, на контактно-проводящих дорожках которых иммобилизованы специализированные агенты для детекции биомаркеров, и размещенную на корпусе систему контактов, обеспечивающую электрическое соединение электродов резонатора с внешними источниками.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг. 1 представлена структурно-функциональная диаграмма картриджа для исследования биологического материала, отражающая его основные элементы и их назначение.
На Фиг. 2 схематически представлен используемый в картридже кварцевый резонатор с электродами, поверхность которого подвергнута иммобилизации специализированных агентов с целью детекции целевых биомаркеров.
На Фиг. 3 схематически показан вид картриджа, поясняющий расположение его элементов внутри корпуса, где: 1- ячейка ввода образца; 2 – микрофлюидная система каналов; 3 – аналитическая ячейка; 4 – кварцевый резонатор; 5 – система электрических контактов.
Решение технической проблемы, достижение технического результата обеспечивается следующим образом.
Во-первых, картридж выполнен с неразборным корпусом, обеспечивающим изолирование элементов картриджа от объема вне корпуса с целью устранения посторонних воздействий. Функциональные элементы картриджа реализованы в внутри корпуса (см. Фиг. 1), без возможности их извлечения из корпуса и проведения с ними каких-либо манипуляций. Таким образом, при исследовании исключается поступление в картридж каких-либо загрязнений, обеспечивающих погрешности анализа.
Во-вторых, ключевой элемент картриджа - кварцевый резонатор 4 в виде пластины, снабженный на поверхностях, расположенных напротив друг друга, парой электродов, расположен в аналитической ячейке 3, будучи с иммобилизованными на его поверхности специализированными агентами в целях детекции целевых биомаркеров.
Картридж реализован неразборным одноразовым инструментом для проведения высокоспецифичной детекции биомаркеров в анализируемых жидкостях белковой и нуклеиновой природы. После первого использования картриджа, повторные его использования конструкцией не предусматриваются. Таким образом, гарантируется качество и точность проводимых анализов. Методика детектирования (под которую разработана конструкция резонатора) обеспечивает избавление от неспецифического связывания и позволяет провести детекцию специфических взаимодействий. В результате достигается высокая чувствительность анализа.
В-третьих, в картридже выполнена микрофлюидная система 2 каналов, осуществляющая подвод анализируемой пробы к кварцевому резонатору 4 фиксированного объема, обеспечивающая её оптимальное протекание по элементам картриджа и поступление в аналитическую ячейку 3. Причем система 2 содержит входной канал, обеспечивающий поступление пробы от ячейки 1 ввода образца в аналитическую ячейку 3 и соединительный канал, обеспечивающий сообщение аналитической ячейки 3 с внешним пространством (вне корпуса картриджа). Сообщение необходимо для выпуска воздуха, чтобы не препятствовать поступлению пробы в ячейку 3 из ячейки 1 и заполнять её до требуемого уровня.
В-четвертых, прием пробы ограничивается объемом аналитической ячейки 3 и объемом каналов, что позволяет всегда проводить анализ с фиксированным объемом пробы.
Выходное отверстие необходимо для выпуска воздуха, чтобы не препятствовать поступлению пробы в ячейку кварцевого кристалла 3 из ячейки ввода образца 1 и заполнять её до требуемого уровня.
В-пятых, кварцевый резонатор 4 с электродами и контактно-проводящими дорожками расположен в аналитической ячейке 3 с жесткой фиксацией по краям. Фиксация по краям обеспечивает практическое отсутствие ухудшения добротности кварцевого резонатора.
Картридж для исследования биологического материала используют следующим образом.
Картридж вставляют в прибор-анализатор, сопрягая наружные выводы контактов 5 на торце корпуса с соответствующими выводами прибора-анализатора и, таким образом, обеспечивают подачу напряжения к электродам кварцевого резонатора 4. Предварительно подлежащую исследованию биопробу, например, кровь, подают в ячейку 1 ввода образца. Под действием капиллярных сил жидкость, представляющая образец, подлежащий исследованию, протекает по прямому каналу микрофлюидной системы 2 каналов и заполняет объем аналитической ячейки 3, в которой размещен кварцевый резонатор 4. Он надежно зафиксирован, имеет строго определенное положение и его поверхность содержит иммобилизованный рецепторный слой. Поступающая в ячейку 3 анализируемая проба оказывает вытесняющее действие на находящийся в ячейке воздух. Вытесняемый воздух через криволинейный канал микрофлюидной системы 2 каналов и выходное отверстие в торце корпуса выходит наружу. Отвод воздуха по криволинейному каналу с длиной не менее 3 мм обеспечивает полное, без пузырьков воздуха в заполняемом объеме, заполнение второй части полости ячейки 3, предотвращает вытекание через выходное отверстие излишков анализируемой пробы. Таким образом, объем анализируемой пробы строго фиксирован. По поступлению пробы в аналитическую ячейку 3 происходит связывание молекул анализируемой пробы с рецепторным слоем, иммобилизованным на поверхность кварцевого резонатора 4.
На контакты 5, каждый из которых электрически соединен с контактно-проводящими дорожками пары электродов на поверхностях пластины кварцевого резонатора 4 подают управляющую разность потенциалов в диапазоне от 0 до 10 В, с шагом 0,1 В, что приводит к сдвиговым колебаниям поверхности кварцевого резонатора, на котором иммобилизованы агенты для детекции биомаркеров, связанные с молекулами биопробы.
Прибором-анализатором осуществляют прямую регистрацию для каждого значения напряжения амплитуды колебаний поверхности резонатора 4. Увеличение напряжения приводит к увеличению амплитуды колебаний и отрыву молекул от поверхности кварцевого резонатора 4 в зависимости от силы связи. Связи «иммобилизованный рецептор – анализируемая молекула» разрываются при строго определенном значении подаваемого напряжения (резонансная частота кварцевого резонатора 4 около 14,3 МГц). Таким образом, меняя значение напряжения можно избавиться от неспецифического связывания и провести детекцию специфических взаимодействий.