UA46018C2 - METHOD OF DETECTION AND DETERMINATION OF CONCENTRATION OF BIOMOLECULES AND MOLECULAR COMPLEXES AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION - Google Patents
METHOD OF DETECTION AND DETERMINATION OF CONCENTRATION OF BIOMOLECULES AND MOLECULAR COMPLEXES AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION Download PDFInfo
- Publication number
- UA46018C2 UA46018C2 UA97105153A UA97105153A UA46018C2 UA 46018 C2 UA46018 C2 UA 46018C2 UA 97105153 A UA97105153 A UA 97105153A UA 97105153 A UA97105153 A UA 97105153A UA 46018 C2 UA46018 C2 UA 46018C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- prism
- biomolecules
- refractive index
- concentration
- optically
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 22
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 claims description 21
- 239000011521 glass Substances 0.000 abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 5
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 abstract description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract 2
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 26
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 14
- 235000018102 proteins Nutrition 0.000 description 9
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 9
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- FKUYMLZIRPABFK-UHFFFAOYSA-N Plastoquinone 9 Natural products CC(C)=CCCC(C)=CCCC(C)=CCCC(C)=CCCC(C)=CCCC(C)=CCCC(C)=CCCC(C)=CCCC(C)=CCC1=CC(=O)C(C)=C(C)C1=O FKUYMLZIRPABFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- FKUYMLZIRPABFK-IQSNHBBHSA-N plastoquinone-9 Chemical class CC(C)=CCC\C(C)=C\CC\C(C)=C\CC\C(C)=C\CC\C(C)=C\CC\C(C)=C\CC\C(C)=C\CC\C(C)=C\CC\C(C)=C\CC1=CC(=O)C(C)=C(C)C1=O FKUYMLZIRPABFK-IQSNHBBHSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000004009 herbicide Substances 0.000 description 5
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- MXWJVTOOROXGIU-UHFFFAOYSA-N atrazine Chemical compound CCNC1=NC(Cl)=NC(NC(C)C)=N1 MXWJVTOOROXGIU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 230000002363 herbicidal effect Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 102000053602 DNA Human genes 0.000 description 2
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 description 2
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 2
- 108010064851 Plant Proteins Proteins 0.000 description 2
- 238000009739 binding Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 2
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 239000002052 molecular layer Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 description 2
- 235000021118 plant-derived protein Nutrition 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 150000003573 thiols Chemical class 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- IJJWOSAXNHWBPR-HUBLWGQQSA-N 5-[(3as,4s,6ar)-2-oxo-1,3,3a,4,6,6a-hexahydrothieno[3,4-d]imidazol-4-yl]-n-(6-hydrazinyl-6-oxohexyl)pentanamide Chemical compound N1C(=O)N[C@@H]2[C@H](CCCCC(=O)NCCCCCC(=O)NN)SC[C@@H]21 IJJWOSAXNHWBPR-HUBLWGQQSA-N 0.000 description 1
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010020751 Hypersensitivity Diseases 0.000 description 1
- 241000209082 Lolium Species 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 229930182555 Penicillin Natural products 0.000 description 1
- JGSARLDLIJGVTE-MBNYWOFBSA-N Penicillin G Chemical compound N([C@H]1[C@H]2SC([C@@H](N2C1=O)C(O)=O)(C)C)C(=O)CC1=CC=CC=C1 JGSARLDLIJGVTE-MBNYWOFBSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001415849 Strigiformes Species 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 1
- 230000027455 binding Effects 0.000 description 1
- 238000012742 biochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002772 conduction electron Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 235000013365 dairy product Nutrition 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 239000002837 defoliant Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 1
- 239000000417 fungicide Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N helium neon Chemical compound [He].[Ne] CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005661 hydrophobic surface Effects 0.000 description 1
- 230000001900 immune effect Effects 0.000 description 1
- 238000003018 immunoassay Methods 0.000 description 1
- 229940072221 immunoglobulins Drugs 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000002917 insecticide Substances 0.000 description 1
- 230000009878 intermolecular interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 235000013372 meat Nutrition 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 229940049954 penicillin Drugs 0.000 description 1
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000009870 specific binding Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- ADNPLDHMAVUMIW-CUZNLEPHSA-N substance P Chemical compound C([C@@H](C(=O)NCC(=O)N[C@@H](CC(C)C)C(=O)N[C@@H](CCSC)C(N)=O)NC(=O)[C@H](CC=1C=CC=CC=1)NC(=O)[C@H](CCC(N)=O)NC(=O)[C@H](CCC(N)=O)NC(=O)[C@H]1N(CCC1)C(=O)[C@H](CCCCN)NC(=O)[C@H]1N(CCC1)C(=O)[C@@H](N)CCCN=C(N)N)C1=CC=CC=C1 ADNPLDHMAVUMIW-CUZNLEPHSA-N 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Опис винаходуDescription of the invention
Технічне рішення, що заявляється, відноситься до області аналітичної техніки для хімічного та 2 біохімічного аналізу і може бути використане для експресного та високочутливого детектування і визначення концентрації різних речовин в газообразному та рідкому середовищі, проведення біохімічних, аналізів та імунологічних тестів в клінічній практиці та з метою досліджень, в біотехнології, для контролю якості їстивних продуктів, сільськогосподарської сировини та питної води, в тому числі для визначення рівня змісту шкідливих речовин (пестицидів, гербіцидів, інсектицидів, фунгіцидів, дефоліантів, сивушних масел і т.п), а 710 також для екологічного моніторингу навколишнього середовища.The claimed technical solution belongs to the field of analytical techniques for chemical and 2 biochemical analysis and can be used for rapid and highly sensitive detection and determination of the concentration of various substances in a gaseous and liquid medium, conducting biochemical, analysis and immunological tests in clinical practice and with the aim of research, in biotechnology, for quality control of edible products, agricultural raw materials and drinking water, including for determining the level of harmful substances (pesticides, herbicides, insecticides, fungicides, defoliants, ryegrass oils, etc.), and 710 also for ecological environmental monitoring.
Відомі спосіб та пристрій для детектування та визначення концентрації біомолекул і молекулярних комплексів в рідкій речовині, що аналізується, по заявці РМ 582247749 МКИ.: «5301М4-021-75, від 10.06.1993р., які базуються на явищі поверхневого плазмонного резонансу (див. І.С. аусоск, 5.С.МУерзіег. Віо зепзогThere are known methods and devices for detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular complexes in the liquid substance being analyzed, according to the application RM 582247749 of the Ministry of Internal Affairs: "5301M4-021-75, dated 06/10/1993", which are based on the phenomenon of surface plasmon resonance (see I.S. ausosk, 5.S.Muerzieg, Vio zepzog
Шинігіпд зипасе ріазтоп гезопапсе. РМ 582247749, ІР 501М4-021-75, ОРАВ 10.06.1993, РА Сес-Магсопі Ца). 12 Спосіб включає: опромінення межі поділу між скляною призмою (оптично більш щільне середовище) і досліджуваним розчином (оптично менш щільне середовище) з боку більш щільного середовища; вимір вихідного сигналу детектору як функції часу, яка однозначно зв'язана з кутовим положенням скануючого променя; реєстрацію інтенсивності відбитого від межі поділу випромінювання в залежності від кута падіння електромагнітної хвилі на поверхню скляної призми.Shinigipd zipase riaztop gezopapse. RM 582247749, IR 501M4-021-75, ORAV 10.06.1993, RA Ses-Magsopi Tsa). 12 The method includes: irradiation of the separation boundary between the glass prism (optically denser medium) and the investigated solution (optically less dense medium) from the denser medium; measurement of the output signal of the detector as a function of time, which is uniquely related to the angular position of the scanning beam; registration of the intensity of radiation reflected from the separation boundary depending on the angle of incidence of the electromagnetic wave on the surface of the glass prism.
Форма кривої плазмонного резонансу, і зокрема, положення мінімуму, залежить від показника заломлення призми, оптичних констант та товщини шару, в якому збуджується поверхневий плазмонний резонанс по відношенню до падаючого та відбитого випромінювання та від оптичних параметрів і товщини шару молекул, які знаходяться на або поблизу зовнішньої поверхні плівки. Про наявність біомолекул та молекулярних комплексів судять за величиною зміщення кута поверхневого плазмонного резонансу в присутності речовини, що с аналізується. Ге)The shape of the plasmon resonance curve, and in particular, the position of the minimum, depends on the refractive index of the prism, the optical constants, and the thickness of the layer in which the surface plasmon resonance is excited in relation to the incident and reflected radiation, and on the optical parameters and thickness of the layer of molecules that are on or near outer surface of the film. The presence of biomolecules and molecular complexes is judged by the magnitude of the surface plasmon resonance angle shift in the presence of the substance being analyzed. Gee)
Пристрій для здійснення цього способу містить шар речовини, в якому збуджується поверхневий плазмонний резонанс, межу поділу між оптично більш щільним середовищем та оптично менш щільним середовищем, джерело світла необхідної довжини хвилі, пристрій сканування, який сканує промінь світла поблизу вибраного кута падіння, систему лінз, яка направляє промінь на вибране місце поверхні, детектор, який вимірює со інтенсивність світла, відбитого від цього місця. Пристрій сканування може являти собою голографічний елемент, «- що обертається, багатогранну дзеркальну призму або кубічний дефлектор, що обертається, причому в кінці кожного циклу сканування генерується імпульс за допомогою пристрою, що кодує положення валу. оThe device for implementing this method contains a layer of matter in which surface plasmon resonance is excited, a separation boundary between an optically denser medium and an optically less dense medium, a light source of the required wavelength, a scanning device that scans a light beam near a selected angle of incidence, a lens system, which directs the beam to a selected location on the surface, a detector that measures the intensity of light reflected from this location. The scanning device can be a rotating holographic element, a multifaceted mirror prism or a rotating cubic deflector, and at the end of each scanning cycle, a pulse is generated using a device that encodes the position of the shaft. at
Відомі спосіб та пристрій для детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних Ге) комплексів в рідкій речовині, що аналізується по заявці РМ М/093-06463 МКИ.: 501М021-55, від 12.01.1994Гг., 3о публікація: Оріїса! Зепзог, 5.).Реасоск, Н.С.даддетгв, У.5.5пам. ЗThere are known methods and devices for detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular Ge) complexes in a liquid substance, which is analyzed according to the application RM M/093-06463 of the Ministry of Internal Affairs: 501M021-55, dated 12.01.1994, 3rd publication: Oriisa! Zepzog, 5.).Reasosk, N.S.daddetgv, U.5.5pam. WITH
Спосіб включає: опромінення межі поділу між скляною призмою (оптично більш щільне середовище) і досліджуваним розчином (оптично менш щільне середовище) з боку більш щільного середовища; вимірювання випромінювання, відбитого від шару, в якому збуджується поверхневий плазмонний резонанс; детектування та « визначення концентрації речовини, що аналізується, по зміні інтенсивності відбитого світла при фіксованому З куті падіння. с Пристрій для здійснення цього способу містить шар речовини, в якій збуджується поверхневий плазмонний з» резонанс, межу поділу між оптично більш щільним середовищем та оптично менш щільним середовищем, джерело світла необхідної довжини хвилі, пристрій сканування, який сканує промінь світла поблизу вибраного кута падіння, систему лінз, яка направляє промінь на вибране місце поверхні, детектор, який вимірює інтенсивність світла, відбитого від цього місця. шк Вищезгадані відомі технічні рішення для детектування та визначення концентрацій біомолекул таThe method includes: irradiation of the separation boundary between the glass prism (optically denser medium) and the investigated solution (optically less dense medium) from the side of the denser medium; measurement of radiation reflected from the layer in which the surface plasmon resonance is excited; detection and determination of the concentration of the analyzed substance based on the change in the intensity of the reflected light at a fixed angle of incidence. c The device for implementing this method contains a layer of matter in which the surface plasmon z" resonance is excited, a separation boundary between an optically denser medium and an optically less dense medium, a light source of the required wavelength, a scanning device that scans a light beam near the selected angle of incidence, a system of lenses that directs the beam to a selected spot on the surface, a detector that measures the intensity of light reflected from that spot. shk The above-mentioned known technical solutions for detecting and determining concentrations of biomolecules and
Ге»! молекулярних комплексів використовують обмежену кількість експериментальних даних - зміну кута поверхневого плазмонного резонансу або інтенсивності відбитого світла при постійному куті падіння. При цьому о можливі помилки, обумовлені впливом різних перешкоджаючих факторів, наприклад, зміною показника - 20 заломлення середовища, що аналізується. Ці помилки важко виявити на стадії вимірювань, що знижує надійність та достовірність одержаної інформації. со В якості прототипу був вибраний спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення, описаний в заявці АМ 7 92510239, МКИ. (301М021-55, від 12.01.1994р.,, які базуються на явищі поверхневого плазмонного резонансу. 29 Вони використовувались для детектування та визначення концентрації молекул дезоксирибонуклеїновоїGee! molecular complexes use a limited amount of experimental data - a change in the surface plasmon resonance angle or the intensity of reflected light at a constant angle of incidence. At the same time, there are possible errors due to the influence of various interfering factors, for example, a change in the refractive index of the analyzed medium. These errors are difficult to detect at the measurement stage, which reduces the reliability and validity of the information obtained. co As a prototype, the method of detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular complexes and the device for its implementation, described in the application AM 7 92510239, MKI, was chosen. (301М021-55, dated 12.01.1994, which are based on the phenomenon of surface plasmon resonance. 29 They were used to detect and determine the concentration of deoxyribonucleic acid molecules
ГФ) кислоти, які прямо чи опосереднено адсорбуються, осаджуються або зв'язуються за рахунок фізичних чи хімічних взаємодій з поверхнею поділу між оптично більш щільним середовищем та оптично менш щільним о середовищем. Поверхня поділу містить тонку електропровідну або напівпровідникову плівку, переважно металеву. 60 Спосіб включає: опромінення межі поділу оптично більш щільного середовища та оптично менш щільного середовища електромагнітною хвилею переважно видимого діапазону під кутом падіння, що відповідає поверхневому плазмонному резонансу (поверхнева плазмонна хвиля заставляє / молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти відбивати або генерувати світло в відповідь на неї); вимірювання інтенсивності електромагнітної хвилі, відбитої від межі поділу. бо При цьому інтенсивність відбитої хвилі весь час утримується в мінімумі, що відповідає куту плазмонного резонансу.HF) acids that are directly or indirectly adsorbed, precipitated or bound due to physical or chemical interactions with the separation surface between an optically denser medium and an optically less dense medium. The separation surface contains a thin conductive or semiconducting film, preferably metal. 60 The method includes: irradiating the separation boundary between an optically denser medium and an optically less dense medium with an electromagnetic wave of a predominantly visible range at an angle of incidence corresponding to surface plasmon resonance (the surface plasmon wave causes / molecules of deoxyribonucleic acid to reflect or generate light in response to it); measuring the intensity of the electromagnetic wave reflected from the separation boundary. because at the same time the intensity of the reflected wave is kept at a minimum all the time, which corresponds to the angle of plasmon resonance.
Пристрій для здійснення цього способу містить: межу поділу між оптично більш щільним середовищем (скляна призма) і оптично менш щільним (досліджуваний розчин), оснащений електропровідною або Напівпровідниковою плівкою, переважно металевою, джерело р-поляризованого електромагнітного випромінювання переважно видимого діапазону хвиль, розташоване так, щоб випромінювання падало на межу поділу з боку оптично більш щільного середовища; приймач випромінювання: пристрій повороту призми відносно джерела випромінювання для постійного підтримування інтенсивності відбитого світла.The device for carrying out this method contains: a boundary between an optically denser medium (a glass prism) and an optically less dense one (the investigated solution), equipped with an electrically conductive or semiconducting film, preferably metal, a source of p-polarized electromagnetic radiation, mainly in the visible wave range, located as follows, so that the radiation falls on the separation boundary from the side of the optically denser medium; radiation receiver: a device for rotating the prism relative to the radiation source to maintain a constant intensity of reflected light.
Недоліком способу-прототипу є те, що детектування та визначення концентрації речовини, що аналізується, 7/0 проводиться непрямим методом і не дає безпосередньої кількісної міри цієї речовини, адсорбованої на поверхні чутливого елементу. Крім цього, мінімум резонансної кривої має деяку ширину (порядку (27 - 3"7)). В зв'язку з цим, якщо адсорбція на поверхню чутливого елементу речовини, що аналізується, приведе до зміщення мінімуму резонансної кривої на величину менше приведеної (ле), присутність в пробі речовини, що аналізується, може бути не виявлена.(фіг. 71). Тому цей спосіб містить помилки, обумовлені різними 75 перешкоджаючими факторами, наприклад, зміною показника заломлення розчину.The disadvantage of the prototype method is that the detection and determination of the concentration of the analyzed substance 7/0 is carried out by an indirect method and does not give a direct quantitative measure of this substance adsorbed on the surface of the sensitive element. In addition, the minimum of the resonance curve has a certain width (of the order of (27 - 3"7)). In this regard, if adsorption on the surface of a sensitive element of the substance under analysis will lead to a shift of the minimum of the resonance curve by an amount less than the reduced (le ), the presence of the analyzed substance in the sample may not be detected (Fig. 71). Therefore, this method contains errors due to various interfering factors, for example, a change in the refractive index of the solution.
Таким чином, аналіз відомих способів детектування та визначення концентрації біомолекул показує, що вони всі не забезпечували необхідну достовірність одержуваної інформації.Thus, the analysis of known methods of detecting and determining the concentration of biomolecules shows that they all did not provide the necessary reliability of the information obtained.
Заявлені об'єкти вирішують задачу зростання достовірності детектування та кількісного визначення концентрації речовини, що аналізується.The proposed objects solve the problem of increasing the reliability of detection and quantitative determination of the concentration of the substance being analyzed.
Поставлена задача вирішується тим, що в відомому способі детектування та визначення концентрації біомолекул, що включає опромінення межі поділу оптично більш щільного середовища, що має показник заломлення п1, з оптично менш щільним середовищем, що має показник заломлення п2, які задовольняють умові п1 » п2, р-поляризованою електромагнітною хвилею переважно видимого діапазону, з боку оптично більш щільного середовища, реєстрацію відбитого від межі поділу випромінювання та його аналіз, опромінення межі с поділу проводять, використовуючи набір кутів падіння р-поляризованої електромагнітної хвилі для всього набору кутів падіння і визначають кількість біомолекул і молекулярних комплексів шляхом математичної обробки даних о вимірів по спеціально розробленому алгоритму.The problem is solved by the fact that in the known method of detecting and determining the concentration of biomolecules, which includes irradiation of the separation boundary of an optically denser medium having a refractive index n1 with an optically less dense medium having a refractive index n2, which satisfy the condition n1 » n2, with a p-polarized electromagnetic wave of a predominantly visible range, from the side of an optically denser medium, registration of radiation reflected from the separation boundary and its analysis, irradiation of the separation boundary is carried out using a set of angles of incidence of a p-polarized electromagnetic wave for the entire set of angles of incidence and the number of biomolecules is determined and molecular complexes by mathematical processing of measurement data using a specially developed algorithm.
Для здійснення способу використовують пристрій, який включає прозорий оптичний елемент з оптично більш щільної речовини, межу поділу з оптично менш щільною речовиною, електропровідну або напівпровідникову оTo implement the method, a device is used, which includes a transparent optical element made of an optically denser substance, a separation boundary with an optically less dense substance, electrically conductive or semiconducting
Зо плівку на цій межі, блок керування призмою та фоточутливий елемент. Прозорий оптичний елемент цього пристрою виконаний в вигляді призми, один з кутів біля основи якої дорівнює 90", а другий кут біля основи - вибирається рівним куту поверхневого плазмонного резонансу для даного показника заломлення призми, о речовини електропровідної плівки і даного показника заломлення зовнішнього середовища плюс-мінус 5905.From the film on this border, the prism control unit and the photosensitive element. The transparent optical element of this device is made in the form of a prism, one of the angles at the base of which is equal to 90", and the second angle at the base is chosen equal to the surface plasmon resonance angle for the given refractive index of the prism, the substance of the conductive film and the given refractive index of the external environment plus minus 5905.
На фіг. 1 - показано зміщення кривої плазмонного резонансу. оIn fig. 1 - the displacement of the plasmon resonance curve is shown. at
На фіг. 2- показаний пристрій для збудження поверхневого плазмонного резонансу зі скляною призмою і «І нанесеною на її основу електропровідною або напівпровідниковою плівкою, де 1 - падаюче р-поляризоване світло, 2 - скляна призма, З - відбите світло, 4 - металічна або напівпровідникова плівка, 5 - поверхнева плазмонна хвиля.In fig. 2 shows a device for excitation of surface plasmon resonance with a glass prism and an electrically conductive or semiconductor film applied to its base, where 1 is incident p-polarized light, 2 is a glass prism, C is reflected light, 4 is a metal or semiconductor film, 5 - surface plasmon wave.
На фіг. З - схематично показана крива поверхневого плазмонного резонансу. «In fig. C - the surface plasmon resonance curve is schematically shown. "
На фіг. 4 показана блок-схема пристрою для детектування та визначення концентрації біомолекул та шщ с молекулярних комплексів, де б - Не-Ме лазер, 7 - падаюче р-поляризоване світло, 8 - детекторний блок зі ц скляною призмою та нанесеною на її основу електропровідною або напівпровідниковою плівкою, робочою "» кюветою та пристроєм повороту призми, 9 - відбите світло, 10 - блок обробки сигналу з фотодетектором, аналого-дифровим перетворювачем та компьютером.In fig. 4 shows a block diagram of a device for detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular complexes, where b is a Ne-Me laser, 7 is incident p-polarized light, and 8 is a detector unit with a glass prism and an electrically conductive or semiconductor layer applied to its base film, working cuvette and prism turning device, 9 - reflected light, 10 - signal processing unit with photodetector, analog-to-digital converter and computer.
На фіг. 5 - показаний пристрій для збудження поверхневого плазмонного резонансу з робочою кюветою, ьч скляною призмою, один із кутів якої дорівнює 907 і нанесеною на її основу електропровідною або напівпровідниковою плівкою, де 11 - падаюче р-поляризоване світло, 12 - вихідний отвір, 15 - металічна або б напівпровідникова плівка, 16 - скляна призма, 17 - відбите світло. ав) На фіг. б показані експериментальні залежності кінетики кута поверхневого плазмонного резонансу, які цу відповідають висадженню білка на чутливу поверхню сенсора та детектуванню пестициду в досліджуваному розчині. с Запропонований спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів на основі поверхневого плазмонного резонансу, забезпечує кількісне вимірювання маси речовини, що аналізується, присутньої на чутливій площадці пристрою. Чутлива площадка виконана в виді електропровідної плівки визначеної товщини, яка знаходиться на межі поділу двох середовищ з показниками заломлення пі та пг, причому п1 » п2. Визначення маси речовини, що аналізується, виконується шляхом опромінення вказаної межі о поділу р-поляризованою електромагнітною хвилею зі сторони оптично більш щільного середовища (п1), ко вимірювання інтенсивності відбитої хвилі при декількох різних кутах падіння та математичної обробки даних вимірів для всіх кутів падіння по спеціально розробленому алгоритму. во Принципи детектування та визначення концентрації адсорбованих молекул на основі явища поверхневого плазмонного резонансу (ППР), тобто збудження коливань електронів провідності (поверхневих плазмонів, поверхневих поляритонів чи поверхневих плазмон-поляритонів) в тонкій електропровідній плівці за допомогою електромагнітної (світлової) хвилі розглядаються в статі С.Ніландера, Б.Лідберга і Т.Лінда "Виявлення газу за допомогою поверхневого плазмонного резонансу" (див. МуїІапдег, С., Ііедрего, В, Гіпа, Т. баз дефесіоп Бу 65 теапв ої зипасе ріазтоп гезопапсе /Зепзоїгз апа Асіцайогв, З. - Р. 79 - 88.- 1982/83). (Фіг. 2).In fig. 5 shows a device for excitation of surface plasmon resonance with a working cuvette, a glass prism, one of the angles of which is equal to 907 and an electrically conductive or semiconductor film applied to its base, where 11 - incident p-polarized light, 12 - exit hole, 15 - metal or b semiconductor film, 16 - glass prism, 17 - reflected light. av) In fig. b shows the experimental dependences of the kinetics of the surface plasmon resonance angle, which correspond to the deposition of the protein on the sensitive surface of the sensor and the detection of the pesticide in the investigated solution. c The proposed method of detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular complexes based on surface plasmon resonance provides a quantitative measurement of the mass of the analyzed substance present on the sensitive area of the device. The sensitive area is made in the form of an electrically conductive film of a certain thickness, which is located at the boundary of the separation of two media with refractive indices pi and pg, and p1 » p2. Determination of the mass of the analyzed substance is carried out by irradiating the indicated separation boundary with a p-polarized electromagnetic wave from the side of the optically denser medium (p1), measuring the intensity of the reflected wave at several different angles of incidence and mathematically processing the measurement data for all angles of incidence according to a special developed algorithm. в The principles of detecting and determining the concentration of adsorbed molecules based on the phenomenon of surface plasmon resonance (SPR), that is, the excitation of vibrations of conduction electrons (surface plasmons, surface polaritons, or surface plasmon-polaritons) in a thin conductive film using an electromagnetic (light) wave are considered in Section C Nylander, B. Lidberg and T. Lind "Detection of gas using surface plasmon resonance" (see MuiIapdeg, S., Iiedrego, V, Gipa, T. baz defesiop Bu 65 teapvo oi zipase riaztop gezopapse / Zepzoigz apa Asitsayogv, Z . - R. 79 - 88.- 1982/83). (Fig. 2).
Для збудження поверхневих плазмонів авторами цієї роботи в якості оптично більш щільного середовища використовувалось скляна призма повного внутрішнього відбивання (2) з нанесеною на її основу металічною плівкою визначеної товщини (4) (в випадку золотої, срібної або мідної плівки ця товщина повинна бути порядку 4Онм). Поверхня плівки знаходилася в контакті з менш щільним зовнішнім середовищем (повітря, вода), щоTo excite surface plasmons, the authors of this work used a glass prism of total internal reflection (2) with a metal film of a certain thickness (4) applied to its base as an optically denser medium (in the case of a gold, silver or copper film, this thickness should be of the order of 4 Ohm) . The surface of the film was in contact with a less dense external environment (air, water), which
Містить в собі домішки речовини, що визначається. В результаті цього контакту речовина, що визначається, адсорбувалась на поверхні металічної плівки, створюючи молекулярний шар. Збудження поверхневих плазмонів здійснювалось променем світла (1), падаючим зі сторони призми на поверхню металічної плівки. Кут падіння світла міг змінюватись шляхом повороту призми. Експериментально вимірювалось зменшення інтенсивності відбитого випромінювання за рахунок поглинання падаючого випромінювання як наслідок перетворювання 7/о енергії електромагнітної хвилі в енергію поверхневих плазмонів.Contains impurities of the substance to be determined. As a result of this contact, the substance to be determined was adsorbed on the surface of the metal film, creating a molecular layer. Surface plasmons were excited by a light beam (1) falling from the side of the prism onto the surface of the metal film. The angle of incidence of light could be changed by turning the prism. The decrease in the intensity of the reflected radiation due to the absorption of the incident radiation was experimentally measured as a result of the conversion of 7/o energy of the electromagnetic wave into the energy of surface plasmons.
Залежність інтенсивності відбитого випромінювання (3) від кута падіння електромагнітної хвилі на поверхню плівки (крива плазмонного резонансу), має мінімум при визначеному куті падіння (кут плазмонного резонансу) (фрері) (Фіг. 3). Форма кривої плазмонного резонансу і, зокрема, положення мінімуму, залежать від показника заломлення призми, оптичних постійних та товщини електропровідної плівки, оптичних постійних зовнішнього 75 середовища, яке знаходиться з протилежного боку по відношенню до падаючого та відбитого випромінювання, та від оптичних параметрів і товщини шару молекул, які знаходяться на або поблизу зовнішньої поверхні плівки.The dependence of the intensity of the reflected radiation (3) on the angle of incidence of the electromagnetic wave on the surface of the film (plasmon resonance curve) has a minimum at a certain angle of incidence (angle of plasmon resonance) (Freire) (Fig. 3). The shape of the plasmon resonance curve and, in particular, the position of the minimum, depend on the refractive index of the prism, the optical constants and thickness of the conductive film, the optical constants of the external medium, which is on the opposite side to the incident and reflected radiation, and on the optical parameters and layer thickness molecules that are on or near the outer surface of the film.
Роздивимось сказане більш докладно. Експериментально вимірювана крива поверхневого плазмонного резонансу залежить від оптичних постійних (показників заломлення та поглинання) всіх фаз, з якими взаємодіє електромагнітна хвиля (матеріалу призми, матеріалу електропровідного шару, речовини, що визначається, адсорбованої на поверхні цього шару, зовнішнього середовища та інших фаз, що можуть, в залежності від умов вимірів, входити в систему, що досліджується), а також геометричної товщини всіх шарів, в тому числі золотої плівки та визначаємого адсорбованого шару. Ця залежність може бути представлена в слідуючому виді (див. кн. "Основьі! зллипсометрии" // А.В.Ржанов, К.К.Свиташев, А.И.Семененко, Л.В.Семененко, В.К.Соколов. / Под ред.Let's look at what was said in more detail. The experimentally measured surface plasmon resonance curve depends on the optical constants (refractive and absorption indices) of all phases with which the electromagnetic wave interacts (the material of the prism, the material of the conductive layer, the substance to be determined, adsorbed on the surface of this layer, the external environment, and other phases that may, depending on the measurement conditions, be included in the system under investigation), as well as the geometric thickness of all layers, including the gold film and the determined adsorbed layer. This dependence can be presented in the following form (see the book "Basic ellipsometry" // A.V. Rzhanov, K.K. Svytashev, A.I. Semenenko, L.V. Semenenko, V.K. Sokolov. / Ed.
А.В.Ржанова. - Новосибирск, "Наука" (Сиб. отд.). - 1978. - 424 с.): Га (8) рів) - -ІОдр - че МО вв) ФО де Кр(Ф) означає коефіцієнт відбиття р-поляризованої електромагнітної хвилі, падаючої на межу поділу під со зо бутм фа Мр - узагальнений адміттанс сукупності відбиваючих шарів для вказаної хвилі, який може бути розрахований за допомогою слідуючого виразу: -A.V. Rzhanov. - Novosibirsk, "Nauka" (Siberian Department). - 1978. - 424 p.): Ha (8) riv) - -IOdr - che MO vv) FO where Kr(F) means the reflection coefficient of a p-polarized electromagnetic wave falling on the boundary of separation under the soso butm fa Mr - generalized admittance of the collection of reflective layers for the specified wave, which can be calculated using the following expression: -
Кк (; | . (2 о 1 й ІІи м Пи Зійе 1. сKk (; | . (2 o 1 y IIy m Pi Ziye 1. p
Хв | У сов Мр «Min | In owls Mr.
Тут К означає повну кількість шарів, включаючи зовнішнє середовище, | - номер шару, що розглядається, 5 - фазова товщина шару з номером |: « - с -к Ч, (3) б; с --спв хз» і Планк а Чр - адміттанс )-го шару: щ» о 2, іме меснаюHere, K means the total number of layers, including the external environment, | - the number of the considered layer, 5 - the phase thickness of the layer with the number |: « - с -к Ч, (3) b; s --spv xz" and Planck a Chr - admittance of the )th layer: sh" o 2, name mesnayu
М Му сова АКА - Лів віпт до («в) -оУу 70 де М, - п, - ІК, означає комплексний показник заломлення шару, що розглядається, Ф)- Кут падіння |-го шару, 7, - довжина хвилі, 4; - товщина шару, а ф - зовнішній кут падіння. Адміттанси Мро і Мрм відносяться до призми со повного внутрішнього відбивання та зовнішнього середовища відповідно.M Mu sova AKA - Left vipt to («c) -oUu 70 where M, - p, - IR, means the complex index of refraction of the layer under consideration, F) - Angle of incidence of the |th layer, 7, - wavelength, 4 ; is the thickness of the layer, and f is the external angle of incidence. The admittances Mro and Mrm refer to the prism with total internal reflection and the external medium, respectively.
Тому, маючи експериментальну криву ППР, можно, в принципі, розрахувати невідомі параметри досліджуваної системи, наприклад, товщину та показник заломлення визначаємого шару, шляхом підгонки цих 25 параметрів так, щоб розрахована за ними теоретична крива ППР якнайкраще співпадала з експериментальноюTherefore, having an experimental PPR curve, it is possible, in principle, to calculate the unknown parameters of the system under study, for example, the thickness and refractive index of the defined layer, by adjusting these 25 parameters so that the theoretical PPR curve calculated based on them coincides as best as possible with the experimental one
ГФ) (тобто вирішуючи обернену задачу з використанням т. н. методу підгонки). Для цього можно скористатися кю методом оптимізації (див. кн. А.Г.Сухарев, А.В.Тимофеев, В.В.Федоров, "Курс методов оптимизации". - М.,GF) (that is, solving the inverse problem using the so-called fitting method). For this, you can use the cue optimization method (see the book A.G. Sukharev, A.V. Timofeev, V.V. Fedorov, "Course of optimization methods". - M.,
Наука, Главная редакция физико-математической литературьі, 1986. - 328 с.). Позначивши буквою х вектор, компоненти якого є наборами параметрів шарів відбиваючої системи (показник заломлення п, показник 60 поглинання К, товщина 4), можна побудувати цільову функцію К(х) слідуючого виду: (5)Nauka, Main edition of physical and mathematical literature, 1986. - 328 p.). Denoting the vector with the letter x, the components of which are sets of parameters of the layers of the reflective system (refractive index n, absorption index 60 K, thickness 4), it is possible to construct the target function K(x) of the following form: (5)
РОд- УДНЮ- яоЇ її б5 де К/((х) означає розраховану величину коефіцієнту відбивання, а КК; - відповідне експериментальне значення. Мінімізація цієї функції за допомогою якого-небудь з відомих алгоритмів, наприклад, симплексним методом (див. там же) дозволяє, в принципі, визначити невідомі параметри адсорбованого шару, зокрема, йогоwhere K/((х) means the calculated value of the reflection coefficient, and КК; is the corresponding experimental value. Minimization of this function using any of the known algorithms, for example, the simplex method (see ibid.) allows, in principle, to determine the unknown parameters of the adsorbed layer, in particular, its
Товщину та показник заломлення.Thickness and refractive index.
За допомогою найдених таким шляхом величин можно потім визначити масу адсорбованої речовини за формулами, одержаними з виразу для молекулярної рефракції речовини, що визначається. го» - вд)Допі осіWith the help of the values found in this way, it is then possible to determine the mass of the adsorbed substance using the formulas obtained from the expression for the molecular refraction of the substance being determined. go" - vd) To the axis
Тут Г - величина поверхневого надлишку, г/см, а - товщина шару, см, по - показник заломлення зовнішнього середовища, п - показник заломлення визначаємої речовини. Типове значення ап/ас для різних білків дорівнює 0,188ст/9 (див. М.Маїтвієїп, ЕПІПреотейгу звійдієв ої ргоїєїт Іауєгте адвзогрей аї Ппуагорпуїїс випасев. У.Here G is the amount of surface excess, g/cm, a is the thickness of the layer, cm, po is the refractive index of the external environment, n is the refractive index of the substance being determined. The typical value of ap/as for different proteins is equal to 0.188st/9 (see M. Maitvieip, EPIPreoteigu zviidiev oi rgoieit Iauegte advzogrei ai Ppuagorpuiis vypasev. U.
Сопоїа апа Іпіепасе Зсіепсе, 166, 333 - 342 (1994)).Sopoia apa Ipiepase Zsiepse, 166, 333 - 342 (1994)).
Однак здійснення цієї ідеї наштовхується на те ускладнення, що для тонких (менше З - 5нм) шарів рішення оберненої задачі виявляється неоднозначним. Це означає, що для одної і тої ж експериментальної кривої можуть відповідати з високим степенем точності теоретичні криві, розраховані для різних, не співпадаючих одна з одною пар значень п, 4 визначаємої речовини (див. К.А.Ребепіп72, К.Сеогдіадів, "п ейи Кіпейсв ої зей-аззетріу ру зипасе ріавзтоп гезопапсе зресігозсору. - І апдтиїіг. - м. 12, Мо20. - Р. 4731 - 4740. - 1996).However, the implementation of this idea runs into the complication that for thin (less than 3 - 5 nm) layers, the solution to the inverse problem is ambiguous. This means that for one and the same experimental curve, the theoretical curves calculated for different, non-coincident pairs of values of n, 4 of the substance to be determined can correspond with a high degree of accuracy (see K.A. Rebepip72, K. Seogdiadiv, " peyi Kipeisvoi zei-azzetriu ru zipase riavstop gezopapse zresigozsoru. - I apdtiiig. - m. 12, Mo20. - R. 4731 - 4740. - 1996).
Технічне рішення, що заявляється, суттєво опирається на установлений авторами раніше невідомий факт, що кількість адсорбованої речовини в шарі, розрахована за величиною молекулярної рефракції з використанням формули (6), виявляється інваріантним відносно неоднозначності в визначенні оптичних параметрів цього шару з кривих поверхневого плазмонного резонансу шляхом вирішення оберненої задачі. счThe proposed technical solution is significantly based on the previously unknown fact established by the authors that the amount of adsorbed substance in the layer, calculated from the value of molecular refraction using formula (6), turns out to be invariant with respect to the ambiguity in determining the optical parameters of this layer from surface plasmon resonance curves by solving the inverse problem. high school
Іншими словами, всі пари значень п, 4, які належать множині рішень оберненої задачі, приводять до одинакового з високим ступенем точності значення кількості адсорбованої речовини, розрахованої за формулою (о) (6). Вказана інваріантність не є математично суворою і в силу цього не може бути доказаною аналітично, але виявляється шляхом числового моделювання. Виходячи з цього факту, детектування біомолекул та молекулярних комплексів за допомогою пристрою на основі поверхневого плазмонного резонансу з кількісним со зо визначенням маси речовини, що аналізується, присутньої на чутливій площадці пристрою, здійснюється слідуючим чином. ьо - чутлива площадка пристрою приводится в контакт з середовищем з відомим показником заломленні о наприклад, повітрям (п - 1) або водою (п - 1,3328 при ї - 2075); вимірюється кутова залежність інтенсивності відбитого світла в інтервалі кутів падіння ФтіпОх фо фах, ДЕ (Се) максимальний та мінімальний кути, «рід і Фтах: Вибрані таким чином, щоб вказаний інтервал включав кут « плазмонного резонансу: «лір сфері У Фтлах: Кількість різних кутів падіння, для яких вимірюється інтенсивність відбитого випромінювання, може бути різною, але не менше трьох. Збільшення цієї кількості до певної межі підвищує точність кінцевого результату вимірювання. Оптимальна кількість кутів залежить від « якості виготовлення та точності вимірювальної установки в цілому. Авторами були одержані прийнятні 70 результати, які забезпечують достатню достовірність при зніманні кутової залежності через 20' (кутових хвилин). - с - за даними вимірів з допомогою описаної вище методики рішення оберненої задачі визначаються оптичні й параметри пристрою при відсутності речовини що аналізується: показник заломлення К і товщина а "» електропровідної плівки, а також показник заломлення пі і товщина а1 допоміжного шару на поверхні електропровідної плівки, якщо такий є в наявності уданого пристрою. - пристрій приводиться в контакт з пробою речовини, що аналізується так, щоб речовина, що аналізується, «» могла адсорбуватися або зв'язатися іншим способом з поверхнею його чутливої площадки.In other words, all pairs of values of n, 4, which belong to the set of solutions of the inverse problem, lead to the same, with a high degree of accuracy, value of the amount of adsorbed substance, calculated according to formula (o) (6). This invariance is not mathematically rigorous and therefore cannot be proven analytically, but it is revealed by numerical simulation. Based on this fact, the detection of biomolecules and molecular complexes using a device based on surface plasmon resonance with quantitative determination of the mass of the analyzed substance present on the sensitive area of the device is carried out as follows. о - the sensitive area of the device is brought into contact with a medium with a known index of refraction o, for example, air (n - 1) or water (n - 1.3328 at и - 2075); the angular dependence of the intensity of the reflected light is measured in the range of incidence angles FtipOx fo fah, DE (Se) maximum and minimum angles, "rid and Ftah: Chosen so that the specified interval includes the angle " of plasmon resonance: "lir of the sphere In Ftlah: Number of different angles falls for which the intensity of reflected radiation is measured can be different, but not less than three. Increasing this number to a certain limit increases the accuracy of the final measurement result. The optimal number of angles depends on the manufacturing quality and accuracy of the measuring device as a whole. The authors obtained acceptable 70 results, which provide sufficient reliability when removing the angular dependence after 20' (angular minutes). - c - according to the measurement data using the inverse problem solution described above, the optical and device parameters are determined in the absence of the analyzed substance: the refractive index K and the thickness a "» of the conductive film, as well as the refractive index pi and the thickness a1 of the auxiliary layer on the surface of the conductive film , if such a device is available - the device is brought into contact with a sample of the analyte so that the analyte "" can adsorb or otherwise bind to the surface of its sensitive pad.
Ф - вимірюється кутова залежність інтенсивності відбитого світла в інтервалі кутів падіння фік фр фах; ДЕ максимальний та мінімальний кути вибираються з тих же міркувань, що і в попередньому випадку. (ав) - задається показник заломлення адсорбованої речовини п у. Вибір цього значення може здійснюватися цу 5 різним чином, але так, щоб виконувалась умова пу» по, де по - показник заломлення зовнішнього середовища.Ф - the angular dependence of the intensity of the reflected light is measured in the range of incidence angles fik fr fah; WHERE the maximum and minimum angles are chosen for the same reasons as in the previous case. (ав) - the index of refraction of the adsorbed substance p u is given. The selection of this value can be carried out in different ways, but in such a way that the condition of po» po is fulfilled, where po is the refractive index of the external environment.
Оптимальним значенням для пу являється значення, близьке до значення показника заломлення речовини, щоThe optimal value for pu is a value close to the value of the refractive index of the substance, which
ІЧ е) визначається. Наприклад, якщо визначаємою речовиною є білкові молекули, а визначення їх проводится в водному розчині, можно прийняти п, - 1,45. - за даними вимірів з допомогою описаної вище методики рішення оберненої задачі і з використанням заданого показника заломлення знаходиться товщина шару речовини, що аналізується а,. - Використовуючи визначені описаним способом значення п, та ау, знаходять кількість аналізуємоїIR f) is determined. For example, if the substance to be determined is protein molecules, and their determination is carried out in an aqueous solution, it is possible to take n, - 1.45. - according to the measurement data using the inverse problem solving method described above and using the given refractive index, the thickness of the layer of the analyzed substance is a,. - Using the values of n, and au determined by the described method, the amount of the analyte is found
ІФ) речовини Г на одиницю площі чутливої поверхні пристрою за формулою (6). Необхідно брати до уваги, що тільки ко значення Г являється істинною фізичною величиною, характеризуючою реальну кількість адсорбованої речовини, в той час як п, та 4, при даному способі вимірів не мають фізичного сенсу. 60 Пристрій для практичної реалізації даного методу (Фіг. 4) включає слідуючі елементи: - джерело випромінювання, наприклад, гелій-неоновий лазер (6); - детекторний блок (8), включаючий: - описану вище призму повного внутрішнього відбивання з нанесеною на її основу провідниковою плівкою, яка також може бути споряджена додатково допоміжним шаром, сприяючим зв'язуванню речовини, що 65 аналізується, на чутливій поверхні сенсора. - пристрій повороту призми, керований зовнішнім контроллером;IF) substance H per unit area of the sensitive surface of the device according to formula (6). It should be taken into account that only the value of Г is a true physical value characterizing the real amount of adsorbed substance, while n, and 4, with this method of measurement, have no physical meaning. 60 The device for the practical implementation of this method (Fig. 4) includes the following elements: - a radiation source, for example, a helium-neon laser (6); - the detector unit (8), including: - the above-described total internal reflection prism with a conductive film applied to its base, which can also be equipped with an additional auxiliary layer that contributes to the binding of the substance to be analyzed on the sensitive surface of the sensor. - prism rotation device controlled by an external controller;
блок обробки сигналу (10), включаючий: - фоточутливий пристрій для вимірювання інтенсивності відбитого світла; - аналогово-дифровий перетворювач для перетворювання вихідного сигналу фоточутливого пристрою в цифрову форму; - обчислювально-керуючий пристрій для управління поворотом призми та виконання вимірів, запам'ятовування результатів вимірів та їх математичної обробки, в якості якого використовувався персональний комп'ютер; - програмне забезпечення, реалізуюче алгоритми вимірювань, збору даних та їх обробки; 70 - Особливістю заявляемого способу детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів являється необхідність дотримання лінійності каналу вимірювання кутової залежності інтенсивності відбитого променя, оскільки експериментально виміряна крива зрівнюється з розрахунковою. Тому в пристрої для здійснення даного способу використовуються спеціальні технічні рішення, які понижують вплив ефектів, що можуть погіршити лінійність каналу вимірювання та визвати викривлення форми кривої поверхневого /5 плазменного резонансу.signal processing unit (10), including: - a photosensitive device for measuring the intensity of reflected light; - analog-to-digital converter for converting the output signal of the photosensitive device into digital form; - a computer control device for controlling the rotation of the prism and performing measurements, memorizing the results of measurements and their mathematical processing, which was used as a personal computer; - software implementing algorithms of measurements, data collection and their processing; 70 - A feature of the proposed method of detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular complexes is the need to observe the linearity of the channel for measuring the angular dependence of the intensity of the reflected beam, since the experimentally measured curve is equal to the calculated one. Therefore, special technical solutions are used in the device for implementing this method, which reduce the influence of effects that can worsen the linearity of the measurement channel and cause distortion of the shape of the surface /5 plasma resonance curve.
Викривлення форми кривої поверхневого плазменного резонансу може бути викликане неоднорідністю вольт-ваттної чутливості елемента, реєструючого інтенсивність відбитого випромінювання (наприклад, фотодіода чи фотопомножувача) по площі, якщо відбитий промінь переміщується по поверхні цього елементу в процесі вимірювань. Другою можливою причиною викривлення може бути зміна коефіцієнта відбивання від 2о поверхні цього елемента або його частин (наприклад, вхідного вікна) при вимірюванні кута падіння світла на цей елемент Усунення викривлень цього типу досягається тим, що прозорий оптичний елемент, виконаний в вигляді призми повного внутрішнього відбивання, один з кутів якої дорівнює 90" (Фіг. 5). Дія цієї призми пояснюється слідуючим. Вхідний промінь (11) входить в призму (16) через передню грань, падає на основу призми з нанесеним на неї електропровідним шаром (15), збуджуючи поверхневі плазмони. Відбитий промінь сч г Зазнає додаткове відбиття від задньої грані призми і виходить назад через передню грань паралельно променю (11). При цьому напрямок розповсюдження відбитого променя (17), що вийшов з призми, не залежить від кута і) повороту призми.Distortion of the shape of the curve of surface plasma resonance can be caused by the inhomogeneity of the volt-watt sensitivity of the element registering the intensity of reflected radiation (for example, a photodiode or photomultiplier) over the area, if the reflected beam moves along the surface of this element during the measurement process. The second possible cause of distortion can be a change in the reflection coefficient from 2o of the surface of this element or its parts (for example, an entrance window) when measuring the angle of incidence of light on this element. The elimination of distortions of this type is achieved by the fact that a transparent optical element made in the form of a prism of total internal reflection , one of the angles of which is equal to 90" (Fig. 5). The action of this prism is explained as follows. The incoming beam (11) enters the prism (16) through the front face, falls on the base of the prism with an electrically conductive layer (15) applied to it, exciting surface plasmons. The reflected beam sch g undergoes additional reflection from the rear face of the prism and exits back through the front face parallel to the beam (11). At the same time, the direction of propagation of the reflected beam (17) that came out of the prism does not depend on the angle i) of the rotation of the prism.
Другою причиною викривлення форми резонансної кривої являється зміна коефіцієнта відбиття світла від передньої грані призми при зміні кута падіння. Це викривлення проявляється тим значніше, чим більше кут со зо падіння променя на передню грань відрізняється від 907. Для зменшення цього викривлення переломляючий кут призми біля передньої грані вибирається поблизу кута плазмонного резонансу для даного показника заломлення (5-7 призми, матеріалу електропровідної плівки та даного показника заломлення зовнішнього середовища. Для о призми з скла з показником заломлення 1,51, призначеної для аналізу проб в вигляді водних розчинів з показником заломлення порядку 1,33, заломляючий кут біля основи передньої грані вибирається поблизу 67". ісе) з5 Для розширення кутів падіння, доступних до вимірювання, є сенс зменшити цей кут Для цього призма «г виконується з речовини з максимально можливим показником заломлення, оскільки кут плазмонного резонансу зменшується з зростанням показника заломлення призми (для скла це відповідає показнику заломлення біля 1,7). В цьому випадку кут біля основи передньої грані призми вибирається поблизу 37" для газообразної проби, що аналізується, з показником заломлення 1 і поблизу 57" для проби, що аналізується, в вигляді водного « розчину. Заявляємий спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пт) с пристрій для його здійснення завдяки своїй високій чутливості можуть успішно застосовуватися в різних областях промисловості в системах високоточного контролю продукції, що випускається, особливо там, де ;» потрібне особливо точне виконання заданих стандартів, наприклад, при виробництві фармацевтичних препаратів (Київський пеніциліновий завод, Україна), (Рпагтасіа Віозепзоге, Орзаїа, Змедеп)). В подібних пристроях мають потребу біотехнологічні підприємства для контролю технологічних процесів та операцій їх (інститут біохімії ім. Баха (Москва, Росія), НІ! Біохімпроцесів (Пущино, Росія), ВО "Біохім" (Красноярськ,The second reason for distortion of the shape of the resonance curve is the change in the light reflection coefficient from the front face of the prism when the angle of incidence changes. This distortion is more pronounced, the more the angle of incidence of the beam on the front face differs from 907. To reduce this distortion, the refractive angle of the prism near the front face is chosen close to the angle of plasmon resonance for a given refractive index (5-7 of the prism, the material of the conductive film and the given refractive index of the environment. For a prism made of glass with a refractive index of 1.51, intended for the analysis of samples in the form of aqueous solutions with a refractive index of the order of 1.33, the refractive angle at the base of the front face is chosen close to 67". ise) z5 To widen the angles drops available for measurement, it makes sense to reduce this angle. For this prism "g" is made of a material with the maximum possible refractive index, since the angle of plasmon resonance decreases with increasing refractive index of the prism (for glass, this corresponds to a refractive index of about 1.7). In this in this case, the angle at the base of the front face of the prism is chosen close to 37" for gas vol of a different sample under analysis with a refractive index of 1 and near 57" for the sample under analysis in the form of an aqueous solution. The proposed method of detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular complexes and the device for its implementation, due to its high sensitivity, can be successfully used in various areas of industry in systems of high-precision control of manufactured products, especially where;" particularly accurate fulfillment of the specified standards is required, for example, in the production of pharmaceuticals (Kyiv Penicillin Plant, Ukraine), (Rpagtasia Viozepzoge, Orzaia, Zmedep)). Such devices are needed by biotechnological enterprises to control technological processes and their operations (Bach Institute of Biochemistry (Moscow, Russia), NI!
Росія). Вони також необхідні при діагностиці імунних та алергічних реакцій організму (Інститут педіатрії,Russia). They are also necessary in the diagnosis of immune and allergic reactions of the body (Institute of Pediatrics,
Ме, акушерства і гінекології Мінздоров'я України, госпіталі). Об'єкти, що заявляються, можуть використовуватись о також при митному контролі тварин та продуктів споживання, що ввозяться (Українська митниця, Інститут 5р М'ясо-молочної промисловості). Оснащений біологічними чутливими шарами, прилад може використовуватися - для контролю специфічних (високоселективних) взаємодій біологічних молекул в імуноаналізі та с ферментативному аналізі (Агіййка! зепзогз Іпзігитепів ( Мипісй, ЕКО)). З його допомогою можуть вирішуватися питання виявлення в біологічних рідинах специфічних антитіл-імуноглобулінів, які виробляються живим організмом в відповідь на проникнення антигена-віруса, бактерії, сторонньої клітини. Він також може бутиDepartment of Obstetrics and Gynecology of the Ministry of Health of Ukraine, hospital). The declared facilities can also be used for customs control of imported animals and consumer products (Ukrainian Customs, 5th Institute of the Meat and Dairy Industry). Equipped with biologically sensitive layers, the device can be used - to control specific (highly selective) interactions of biological molecules in immunoassays and with enzymatic analysis (Agiyika! zepzogz Ipsigitepiv (Mypisy, EKO)). With its help, the issue of detecting specific antibodies-immunoglobulins in biological fluids, which are produced by a living organism in response to the penetration of an antigen-virus, bacteria, foreign cell, can be solved. He can also be
Використаний для безперервного контролю якості питної води в міському комунальному господарстві.Used for continuous monitoring of the quality of drinking water in municipal utilities.
Приклад. Використовувались спосіб та пристрій, що заявляються, по блок-схемі на фіг. 4. ПриладExample. The claimed method and device were used according to the block diagram in fig. 4. Device
Ф) складається з Не-Ме лазера, скляної призми, протічної кювети (8мм в діаметрі та їмм висотою) і реєструючого ка фотодіоду. Призма та протічна кювета розташовані на платформі, що обертається (з роздільною здатністю 0,017). 60 Шар золота товщиною 45нм напилювався на попередньо оброблену поверхню призми (термічне напилення, вакуум 10Ра). Для одержання гідрофобної поверхні, а також для вилучення нестабільності в водному середовищі золото модифікувалось шляхом ковалентної пришивки шару тіолів СНУ(СН»)145Н. Для цього призма з свіхенапиленим шаром золота занурювалась на 24 години в спиртовий розчин тіолів з послідуючим промиванням в дистильованій воді. 65 Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення використовувались для детектування наявності молекул з використанням специфічних реакцій,F) consists of a Ne-Me laser, a glass prism, a flow cuvette (8 mm in diameter and mm in height) and a recording ka photodiode. The prism and the flow cell are located on a rotating platform (with a resolution of 0.017). 60 A layer of gold with a thickness of 45 nm was sputtered onto the pre-treated surface of the prism (thermal sputtering, vacuum 10Ra). To obtain a hydrophobic surface, as well as to remove instability in an aqueous medium, gold was modified by covalently attaching a layer of thiols SNU(СН»)145Н. For this purpose, a prism with a dusted layer of gold was immersed for 24 hours in an alcohol solution of thiols, followed by washing in distilled water. 65 The method of detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular complexes and the device for its implementation were used to detect the presence of molecules using specific reactions,
в яких молекула з меншою молекулярною масою заміщує в первинно сорбованому молекулярному шарі молекулу з більшою молекулярною масою, тобто витискує її в силу свого більшого споріднення до строго визначених структур первинно сорбованого шару молекул. Прикладом подібної реакції може служити реакціяin which a molecule with a lower molecular weight replaces a molecule with a higher molecular weight in the primary sorbed molecular layer, i.e. squeezes it out due to its greater affinity to the strictly defined structures of the primary sorbed layer of molecules. An example of such a reaction can be the reaction
Заміщення різними гербіцидами пластохінону в рослинних білках, яка звичайно використовується для інгібітування електронно-протонного транспорту через мембранні комплекси при необхідності подавления росту рослини в цілому. В нашому випадку заміщення гербіцидом атразін з молекулярною масою З00ба пластохінону з молекулярною масою 1000ба в його сайті приводить до зменшення оптичної товщини шару рослинного білку 01 і зменшенню його маси, що фіксується пристроєм для детектування та визначення концентрації біомолекул та 7/0 молекулярних комплексів. При цьому спостерігається зміщення резонансних кривих в сторону менших кутів.Substitution of plastoquinone in plant proteins with various herbicides, which is usually used to inhibit electron-proton transport through membrane complexes when necessary to suppress the growth of the plant as a whole. In our case, the substitution of the herbicide atrazine with a molecular weight of 300ba for plastoquinone with a molecular weight of 1000ba in its site leads to a decrease in the optical thickness of the layer of plant protein 01 and a decrease in its mass, which is recorded by a device for detecting and determining the concentration of biomolecules and 7/0 molecular complexes. At the same time, a shift of the resonance curves towards smaller angles is observed.
Неекстрагований (з пластохіноном) білок 01, виділений з мембранного комплексу РБЗ2, попередньо на протязі двох годин розчинявся в фосфатному буферному розчині (25ммоль КН 2РО;Х, 25ммоль Масі, рН - 7,4) і доводився до концентрації 5мг/мл. Проба білку ємністю 100мкл з допомогою самплера розміщувалась в кюветі і в процесі сорбції проводилось спостереження кінетики сорбції до досягнення насичення (приблизно 0,5 години). /5 Маса білку, сорбованого на чутливій поверхні сенсора, визначена згідно способу, що заявляється, склала 1,24:10-7г/см2, що відповідає субмоношаровому покриттю з коефіцієнтом заміщення приблизно 5695. Після п'ятикратної промивки кювети розчином РВ5 в інтервалі 0,5 години фіксувався реальний дрейф системи по нахилу сенсограми. Потім, після встановлення в системі рівноваги, проводилась інжекція гербіциду відповідної концентрації з послідуючим спостереженням та записом кінетики реакції заміщення (Фіг. 65). Зменшення маси білкового шару, викликане заміщенням пластохінону атразіном, склало 0,95710 г/см, що знаходиться в задовільній відповідності з передбаченим значенням 1,510 8г/см2 для випадку повного заміщення пластохінону атразіном. Наявне розходження може бути зв'язане з неповним проходженням реакції заміщення. Для порівняння такий же дослід був проведений з екстрагованим (без пластохінону) білком 01. Реакція специфічного зв'язування між екстрагованим білком 01 і гербіцидом практично не спостерігалась (Фіг. ба). сUnextracted (with plastoquinone) protein 01, isolated from the RBZ2 membrane complex, was previously dissolved in a phosphate buffer solution (25 mmol KH 2PO;X, 25 mmol Masi, pH - 7.4) for two hours and adjusted to a concentration of 5 mg/ml. A protein sample with a capacity of 100 μl was placed in a cuvette using a sampler, and during the sorption process, the kinetics of sorption was observed until saturation was reached (approximately 0.5 hours). /5 The mass of the protein adsorbed on the sensitive surface of the sensor, determined according to the claimed method, was 1.24:10-7g/cm2, which corresponds to a submonolayer coating with a substitution coefficient of approximately 5695. After washing the cuvette five times with PB5 solution in the interval 0 .5 hours, the real drift of the system along the slope of the sensogram was recorded. Then, after establishing equilibrium in the system, an injection of herbicide of the appropriate concentration was carried out, with subsequent observation and recording of the kinetics of the substitution reaction (Fig. 65). The decrease in the mass of the protein layer caused by the replacement of plastoquinone with atrazine was 0.95710 g/cm, which is in satisfactory agreement with the predicted value of 1.510 8g/cm2 for the case of complete replacement of plastoquinone with atrazine. The existing discrepancy may be related to the incomplete completion of the substitution reaction. For comparison, the same experiment was conducted with the extracted (without plastoquinone) protein 01. The specific binding reaction between the extracted protein 01 and the herbicide was practically not observed (Fig. ba). with
Проведені експерименти підтверджують широкі можливості використання способу детектування та о визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрою для його здійснення для дослідження міжмолекулярних взаємодій, для моніторингу різних біологічних реакцій та детектування біомолекул і молекулярних комплексів. сThe conducted experiments confirm the broad possibilities of using the method of detection and determination of the concentration of biomolecules and molecular complexes and the device for its implementation for the study of intermolecular interactions, for monitoring various biological reactions and detection of biomolecules and molecular complexes. with
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA97105153A UA46018C2 (en) | 1997-10-22 | 1997-10-22 | METHOD OF DETECTION AND DETERMINATION OF CONCENTRATION OF BIOMOLECULES AND MOLECULAR COMPLEXES AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA97105153A UA46018C2 (en) | 1997-10-22 | 1997-10-22 | METHOD OF DETECTION AND DETERMINATION OF CONCENTRATION OF BIOMOLECULES AND MOLECULAR COMPLEXES AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA46018C2 true UA46018C2 (en) | 2002-05-15 |
Family
ID=74207471
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UA97105153A UA46018C2 (en) | 1997-10-22 | 1997-10-22 | METHOD OF DETECTION AND DETERMINATION OF CONCENTRATION OF BIOMOLECULES AND MOLECULAR COMPLEXES AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| UA (1) | UA46018C2 (en) |
-
1997
- 1997-10-22 UA UA97105153A patent/UA46018C2/en unknown
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Naimushin et al. | Detection of Staphylococcus aureus enterotoxin B at femtomolar levels with a miniature integrated two-channel surface plasmon resonance (SPR) sensor | |
| Beusink et al. | Angle-scanning SPR imaging for detection of biomolecular interactions on microarrays | |
| EP0938661B1 (en) | Analytical apparatus | |
| CN104155266B (en) | A kind of multi-channel parallel detects surface plasma resonance biosensor and preparation thereof and detection method | |
| Shi et al. | A symmetrical optical waveguide based surface plasmon resonance biosensing system | |
| US7576863B2 (en) | Horizontal surface plasmon resonance sensor apparatus | |
| Liu et al. | Determination of affinities and antigenic epitopes of bovine cardiac troponin I (cTnI) with monoclonal antibodies by surface plasmon resonance biosensor | |
| Shin et al. | A new palm-sized surface plasmon resonance (SPR) biosensor based on modulation of a light source by a rotating mirror | |
| Kunz et al. | Sensing fatty acid binding protein with planar and fiber-optical surface plasmon resonance spectroscopy devices | |
| Ma et al. | Optimization of angle-pixel resolution for angular plasmonic biosensors | |
| Salina et al. | Multi-spot, label-free immunoassay on reflectionless glass | |
| EP2494358B1 (en) | Method for the direct measure of molecular interactions by detection of light reflected from multilayered functionalized dielectrics | |
| Arwin | Adsorption of proteins at solid surfaces | |
| Chammem et al. | Surface plasmon resonance for C-reactive protein detection in human plasma | |
| Liu et al. | Surface plasmon resonance imaging of limited glycoprotein samples | |
| Yuk et al. | Sensitivity of ex situ and in situ spectral surface plasmon resonance sensors in the analysis of protein arrays | |
| Xinglong et al. | Micro-array detection system for gene expression products based on surface plasmon resonance imaging | |
| UA46018C2 (en) | METHOD OF DETECTION AND DETERMINATION OF CONCENTRATION OF BIOMOLECULES AND MOLECULAR COMPLEXES AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION | |
| Yuk et al. | Analysis of protein arrays with a dual-function SPR biosensor composed of surface plasmon microscopy and SPR spectroscopy based on white light | |
| Khrystosenko | Optimization of surface plasmon resonance based biosensor for clinical diagnosis of the Epstein–Barr herpes virus disease | |
| Sutapun et al. | A multichannel surface plasmon resonance sensor using a new spectral readout system without moving optics | |
| CN111208066B (en) | A biological detection device and method | |
| US20190285542A1 (en) | Optical sensing device, method of manufacturing the same, and optical sensing method | |
| Yang et al. | SPR-based antibody-antigen interaction for real time analysis of carbamate pesticide residues | |
| CN112881312A (en) | Detection device for simultaneously monitoring solution change and sensor solid/liquid interface change |