RU184943U1 - Device for highly specific detection of biomarkers on a quartz resonator - Google Patents

Abstract

Translated fromRussian

Полезная модель относится к медицинской и биологической измерительной технике и может использоваться для детекции биологических маркеров.Технический результат достигается тем, что устройство для проведения высокоспецифичной детекции биомаркеров на кварцевом резонаторе содержит корпус, в котором размещены адаптер для картриджа и детектирующий модуль, содержащий следующие элементы: генератор сигналов, токовый буфер, сигнальный трансформатор, усилитель сигнала, аналого-цифровой преобразователь и модуль синхронизации.При этом адаптер для картриджа может быть снабжен блоком термостабилизации.Заявляемая полезная модель в отличие от других аналогов на основе кварцевых резонаторов позволяет избавиться от неспецифического связывания и провести детекцию специфических взаимодействий.The utility model relates to medical and biological measurement technology and can be used to detect biological markers. The technical result is achieved by the fact that the device for highly specific biomarker detection on a quartz resonator contains a housing in which an adapter for a cartridge and a detecting module are located, containing the following elements: generator signals, current buffer, signal transformer, signal amplifier, analog-to-digital converter and synchronization module. With this adapter p for the cartridge can be equipped with a thermal stabilization unit. The inventive utility model, unlike other analogues based on quartz resonators, allows you to get rid of nonspecific binding and to detect specific interactions.

Description

Translated fromRussian

Полезная модель относится к медицинской и биологической измерительной технике и может использоваться для детекции биологических маркеров.The utility model relates to medical and biological measuring equipment and can be used to detect biological markers.

Известны различные пьезоэлектрические устройства обнаружения целевых биомолекул в биологических образцах (см., например, патент US 7811831, МПК G01N 33/552, опубликован 12.10.2010 г.; патентную заявку US 20050250222, МПК G01N 33/552, опубликована 10.11.2005 г.).Various piezoelectric devices for detecting target biomolecules in biological samples are known (see, for example, patent US 7811831, IPC G01N 33/552, published October 12, 2010; patent application US 20050250222, IPC G01N 33/552, published 10.11.2005, )

Основным недостатком таких устройств является обратная зависимость между основными показателями эффективности детекции: чувствительностью и специфичностью, и, как следствие, невозможность проведения одномоментно высокоспецифической и высокочувствительной детекции.The main disadvantage of such devices is the inverse relationship between the main indicators of detection efficiency: sensitivity and specificity, and, as a consequence, the impossibility of simultaneously performing highly specific and highly sensitive detection.

Известны устройства - кантилеверы (см., например, патент US 9274087, МПК G01N 29/02, опубликован 08.11.2016 г.), в которых анализ молекулярных связей осуществляется безметочным способом, путем регистрации поверхностного натяжения на границе рецептор - окружающая среда.Known devices are cantilevers (see, for example, patent US 9274087, IPC G01N 29/02, published 08.11.2016), in which the analysis of molecular bonds is carried out in a labelless way, by registering surface tension at the receptor-environment interface.

Недостатком таких устройств является необходимость осуществления поиска анализируемого объекта на поверхности, что существенно усложняет их работу и увеличивает время анализа.The disadvantage of such devices is the need to search for the analyzed object on the surface, which significantly complicates their work and increases the analysis time.

Наиболее близким аналогом, по мнению авторов, является устройство определения аффинности партнеров по связыванию по отношению друг к другу (см. патент ЕР 1171769, МПК G01N 29/00, G01N 33/53, опубликован 16.01.2002), содержащее выполненные в общем корпусе приемник картриджа, генератор синусоидального сигнала, фильтр частоты, усилитель сигнала с картриджа, акустический преобразователь (АП).The closest analogue, according to the authors, is a device for determining the affinity of binding partners with respect to each other (see patent EP 1171769, IPC G01N 29/00, G01N 33/53, published January 16, 2002) containing a receiver made in a common housing cartridge, a sinusoidal signal generator, a frequency filter, a signal amplifier from a cartridge, an acoustic transducer (AP).

Генератор синусоидального сигнала предназначен для возбуждения колебательного движения кварцевого резонатора картриджа с возрастающей амплитудой на основной резонансной частоте, фильтр частоты обеспечивает выделение третьей гармоники, на которой производится измерение акустического сигнала от кристалла кварцевого резонатора, усилитель сигнала предназначен для улучшения соотношения сигнал/шум, АП предназначен для регистрации акустического сигнала с усилителя в момент разрыва связи.The sinusoidal signal generator is designed to excite the oscillatory motion of the cartridge quartz resonator with increasing amplitude at the main resonant frequency, the frequency filter provides the third harmonic at which the acoustic signal from the crystal of the quartz resonator is measured, the signal amplifier is designed to improve the signal-to-noise ratio, AP is designed to registration of the acoustic signal from the amplifier at the time of disconnection.

Чувствительным элементом кварцевого резонатора картриджа является диск из кристаллического кварца с электродами на верхней и нижней поверхностях.The sensitive element of the quartz resonator of the cartridge is a disk of crystalline quartz with electrodes on the upper and lower surfaces.

На поверхности электродов иммобилизируют зонд, представляющий собой белок (антитело, антиген), фермент, ингибитор фермента, полинуклеотид или клетку, бактерию, вирус, прион или фаг. В момент введения анализируемой пробы (аналита) в аналитическую ячейку картриджа, содержащую кварцевый резонатор с иммобилизованными рецепторами, происходит специфическое связывание рецепторов с анализируемым веществом.A probe representing a protein (antibody, antigen), enzyme, enzyme inhibitor, polynucleotide or cell, bacterium, virus, prion or phage is immobilized on the surface of the electrodes. At the moment of introducing the analyzed sample (analyte) into the analytical cell of the cartridge containing a quartz resonator with immobilized receptors, specific binding of the receptors to the analyte takes place.

После того, как анализируемое вещество связалось с рецепторами на поверхности кварцевого резонатора посредством межмолекулярного взаимодействия, на электроды генератором подается переменный сигнал с частотой, соответствующей основной моде кварцевого резонатора. Увеличение подаваемого на электроды напряжения приводит к увеличению амплитуды колебаний кварцевого резонатора. По мере возрастания амплитуды возрастает ускорение, а, значит, и сила, приложенная к частицам, и при достижении силой определенного порога, происходит разрыв связей. Разрыв всех связей, соединяющих аналит с поверхностью, порождает акустический сигнал, который после прохождения через фильтр и усилитель регистрируют при помощи АП на третьей гармонике.After the analyte has contacted the receptors on the surface of the quartz resonator through intermolecular interaction, an alternating signal with a frequency corresponding to the main mode of the quartz resonator is supplied to the electrodes by the generator. An increase in the voltage supplied to the electrodes leads to an increase in the oscillation amplitude of the quartz resonator. As the amplitude increases, acceleration increases, and, therefore, the force applied to the particles, and when the force reaches a certain threshold, bonds break. The rupture of all bonds connecting the analyte to the surface gives rise to an acoustic signal, which, after passing through the filter and amplifier, is recorded by means of an AP at the third harmonic.

График зависимости уровня генерируемого сигнала от амплитуды (или приложенного напряжения), представляет собой спектр силы отрыва. С помощью графика определяют момент разрыва связи, поскольку он соответствует пику сигнала. Таким образом, можно определить критическое напряжение, при котором происходит разрыв связи. Кроме того, высота пика акустического излучения является мерой количества связанных частиц.The graph of the dependence of the level of the generated signal on the amplitude (or applied voltage), represents the spectrum of the separation force. Using the graph, the moment of disconnection is determined, since it corresponds to the peak of the signal. Thus, it is possible to determine the critical voltage at which a bond break occurs. In addition, the peak height of acoustic radiation is a measure of the number of bound particles.

К недостаткам данного устройства можно отнести то, что измерение проводится на фиксированной частоте, следовательно, необходимо очень точно настраиваться на резонансную и 3f+Δf частоты. В процессе измерения резонансная частота кварца может меняться, что приводит к уменьшению точности (по концентрации) данного метода.The disadvantages of this device include the fact that the measurement is carried out at a fixed frequency, therefore, it is necessary to very accurately tune to the resonant and 3f + Δf frequencies. During the measurement, the resonant frequency of the quartz can change, which leads to a decrease in the accuracy (in concentration) of this method.

Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение более высокой точности измерений по сравнению с прототипом.The objective of the claimed utility model is to provide higher measurement accuracy compared to the prototype.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является высокая чувствительность и специфичность анализа взаимодействий биологических образцов.The technical result achieved by using the claimed utility model is the high sensitivity and specificity of the analysis of interactions of biological samples.

Технический результат достигается тем, что устройство для проведения высокоспецифичной детекции биомаркеров на кварцевом резонаторе содержит корпус, в котором размещены снабженный блоком термостабилизации адаптер для картриджа, вставляемый в него картридж с кварцевым кристаллом с иммобилизованными на его поверхности специализированными агентами для детекции целевых биомаркеров, и детектирующий модуль, содержащий следующие элементы: генератор сигналов, токовый буфер, сигнальный трансформатор, усилитель сигнала, аналого-цифровой преобразователь и модуль синхронизации.The technical result is achieved by the fact that the device for conducting highly specific biomarker detection on a quartz resonator comprises a housing in which an adapter for a cartridge is provided with a thermal stabilization unit, a cartridge with a quartz crystal with specialized agents immobilized on its surface for detecting target biomarkers, and a detection module are placed containing the following elements: signal generator, current buffer, signal transformer, signal amplifier, analog-to-digital eobrazovatel and synchronization module.

Для достижения технического результата в устройстве необходимо использовать картриджи определенного типа, а именно, картриджи с кварцевым кристаллом с иммобилизованными на его поверхности специализированными агентами для детекции целевых биомаркеров.To achieve a technical result, it is necessary to use cartridges of a certain type in the device, namely, cartridges with a quartz crystal with specialized agents immobilized on its surface for the detection of target biomarkers.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема устройства.The inventive utility model is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of the device.

Устройство содержит корпус 1, адаптер 2 для картриджа (картридж не показан), детектирующий модуль 3, содержащий генератор 4 сигналов, токовый буфер 5, сигнальный трансформатор 6, усилитель 7 сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, модуль 9 синхронизации.The device comprises ahousing 1, anadapter 2 for a cartridge (cartridge not shown), adetecting module 3, comprising asignal generator 4, acurrent buffer 5, asignal transformer 6, asignal amplifier 7, an analog-to-digital converter (ADC) 8, and asynchronization module 9.

Заявляемую полезную модель используют для проведения анализа следующим образом.The inventive utility model is used for analysis as follows.

Перед внесением анализируемой пробы в картридж с модифицированным кварцевым резонатором, картридж устанавливают в адаптер 2. Адаптер 2 для картриджа осуществляет контактное сопряжение картриджа с детектирующим модулем 3 и термостатирование реакционной ячейки картриджа до заданной температуры (обычно 37°С).Before making the analyzed sample in the cartridge with a modified quartz resonator, the cartridge is installed inadapter 2. Theadapter 2 for the cartridge contacts the cartridge with thedetecting module 3 and thermostats the reaction cell of the cartridge to a predetermined temperature (usually 37 ° C).

Управление устройством и обработку полученных результатов проведенного анализа осуществляет программное обеспечение устройства, установленное на персональном компьютере.Device management and processing of the obtained analysis results is carried out by the device software installed on a personal computer.

После выбора необходимых параметров проведения анализа, производят внесение пробы в ячейку картриджа и запускают процесс анализа.After selecting the necessary parameters for the analysis, make a sample in the cell of the cartridge and start the analysis process.

В момент старта анализа генератор 4 сигнала начинает подавать частотно-модулированный сигнал от нижней до верхней границ частот, увеличивая частоту с постоянной скоростью заданное количество раз, с каждым проходом увеличивая амплитуду подаваемого сигнала.At the start of the analysis, thesignal generator 4 starts to supply a frequency-modulated signal from the lower to upper frequency boundaries, increasing the frequency at a constant speed a predetermined number of times, increasing the amplitude of the supplied signal with each pass.

Генерируемый сигнал поступает на токовый буфер 5, предназначенный для согласования генератора 4 сигнала и нагрузки (кварцевого резонатора со связанной биомолекулой), фильтрации сигнала возбуждения резонатора и обеспечения необходимой мощности возбуждения.The generated signal is fed to thecurrent buffer 5, designed to match thesignal generator 4 and the load (quartz resonator with a coupled biomolecule), filter the resonator excitation signal and provide the necessary excitation power.

Далее сигнал поступает на адаптер 2 и непосредственно на размещенный в нем картридж с кварцевым резонатором, что приводит к сдвиговым колебаниям поверхности кварцевого кристалла, на котором иммобилизованы специфические рецепторы, связанные с молекулами-аналитами. В момент разрыва связи «иммобилизованный рецептор - молекула-аналит» в кварцевом кристалле возникает переходный процесс с высшими гармониками.The signal then goes to adapter 2 and directly to the cartridge with a quartz resonator located in it, which leads to shear vibrations of the surface of the quartz crystal, on which specific receptors associated with analyte molecules are immobilized. At the moment of breaking the “immobilized receptor – analyte molecule” bond, a transition process with higher harmonics occurs in a quartz crystal.

Сигнал с картриджа с кварцевым резонатором передается на сигнальный трансформатор 6, затем на усилитель 7 сигнала. Запись сигнала осуществляется в АЦП 8. Модуль 9 синхронизации предназначен для синхронизации работы генератора 4 сигналов и АЦП 8. Устройство может быть запитано от внешнего источника постоянного тока, либо иметь собственный встроенный источник питания (например, аккумулятор).The signal from the cartridge with a quartz resonator is transmitted to thesignal transformer 6, then to thesignal amplifier 7. The signal is recorded in theADC 8. Thesynchronization module 9 is designed to synchronize the operation of thesignal generator 4 and theADC 8. The device can be powered from an external DC source, or have its own built-in power source (for example, a battery).

В отличие от прототипа полезной моделью детектирование разрыва связи осуществляется не способом акустической эмиссии, а измерением амплитудно-частотной зависимости. Данный алгоритм детекции предусматривает изменение частоты подаваемого сигнала в определенном диапазоне частот вблизи резонансной частоты кварцевого резонатора, тем самым повышая точность измерений.In contrast to the prototype, a useful model for detecting a communication break is carried out not by the method of acoustic emission, but by measuring the amplitude-frequency dependence. This detection algorithm provides for a change in the frequency of the supplied signal in a certain frequency range near the resonant frequency of the quartz resonator, thereby increasing the accuracy of measurements.

Заявляемая полезная модель в отличие от других аналогов на основе кварцевых резонаторов позволяет избавиться от неспецифического связывания и провести детекцию специфических взаимодействий.The inventive utility model, unlike other analogues based on quartz resonators, allows you to get rid of nonspecific binding and to detect specific interactions.

Claims (1)

Translated fromRussian

Устройство для проведения высокоспецифичной детекции биомаркеров на кварцевом резонаторе, содержащее корпус, в котором размещены снабженный блоком термостабилизации адаптер для картриджа, вставляемый в него картридж с кварцевым кристаллом с иммобилизованными на его поверхности специализированными агентами для детекции целевых биомаркеров, и детектирующий модуль, содержащий следующие элементы: генератор сигналов, токовый буфер, сигнальный трансформатор, усилитель сигнала, аналого-цифровой преобразователь и модуль синхронизации.A device for conducting highly specific biomarker detection on a quartz resonator, comprising a housing in which an adapter for a cartridge is provided with a thermal stabilization unit, a cartridge with a quartz crystal with specialized agents immobilized on its surface for detecting target biomarkers, and a detection module containing the following elements: signal generator, current buffer, signal transformer, signal amplifier, analog-to-digital converter and synchronization module.

Images