Нанооптический плазмонный чип для детектирования веществ или молекул в окружающей среде, пище и биологических системах

Авторы патента:

G01N33/48 - биологических материалов, например крови, мочи (G01N 33/02-G01N 33/14,G01N 33/26,G01N 33/44,G01N 33/46 имеют преимущество; определение всхожести семян A01C 1/02); приборы для подсчета и измерения клеток крови (гемоцитометры) (подсчет клеток крови, распределенных по поверхности, путем сканирования этой поверхности G06M 11/02)

G01N33/02 - пищевых продуктов

G01N21/62 - системы, в которых исследуемый материал возбуждается, в результате чего он испускает свет или изменяет длину волны падающего света

Владельцы патента RU 2767946:

САФТРА ФОТОНИКС, С.Р.О. (SK)

Использование: для детектирования очень низких концентраций веществ/молекул (вплоть до одномолекулярного уровня) в окружающей среде (воде, воздухе, почве), пище и биологических системах. Сущность изобретения заключается в том, что структура нанооптического чипа для детектирования молекул образована поверхностью плазмонных наночастиц, состоящей из плазмонных наночастиц, осажденных на подложку с выбранным расстоянием между отдельными наночастицами. Технический результат: обеспечение возможности повышения избирательности и чувствительности детектирования молекул. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Заявленное изобретение относится к структуре портативного нанооптического чипа, основанного на принципе генерирования плазмонов и на модификации поверхности плазмонных наночастиц. Нанооптический чип детектирует очень низкие концентрации веществ/молекул в окружающей среде (воде, воздухе, почве), пище и биологических системах.

Описание предшествующего уровня техники

Плазмоны представляют собой колебания электронной плазмы, возбуждаемые светом на металлических наночастицах; в результате возбуждения на поверхности наночастиц генерируется значительно усиленное электромагнитное поле (ЭП). Поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия (SERS) представляет собой технологию, основанную на значительном усилении ЭП на металлических наноструктурах и последующем увеличении интенсивности рамановского сигнала. Такой усиленный рамановский сигнал преображает рамановскую спектроскопию из структурно-аналитического метода в структурно-чувствительный нанозонд, выполненный с возможностью детектирования очень низкой концентрации молекул вплоть до одномолекулярного уровня.

В настоящее время SERS является единственным вариантом одномолекулярного детектирования с одновременным анализом химической структуры. Технически, SERS основан на существовании так называемых «горячих точек» (ГТ), обнаруживаемых в структуре наночастиц плазмы. Выявляют два различных типа ГТ: а) промежутки между металлическими наночастицами и б) пики поверхности наночастиц, проявляющие высокую кривизну поверхности. В обоих случаях ЭП значительно усиливается за счет света возбуждения. Таким образом, усиленное ЭП значительно увеличивает рамановский сигнал от молекул, обнаруживаемых в этих ГТ.

Раскрытие сущности изобретения

Описание нанооптического чипа: поверхность плазмонных наночастиц, созданная физическими способами, такими как импульсное лазерное осаждение, функционализированное специфическими молекулярными линкерами и осаждением дополнительного слоя/слоев наночастиц различных форм.

1. Поверхность плазмонных наночастиц: Поверхность плазмонных наночастиц разработанного чипа состоит из плазмонных наночастиц (НЧ), осажденных на подложку, что обеспечено физическими способами, например, способом импульсного лазерного осаждения (PLD). Такие способы обеспечивают однородное распределение НЧ, а также выбранное расстояние между отдельными НЧ на подложке; например, при использовании способа PLD это обеспечивается посредством регулирования мощности и частоты лазера, который определяет количество создаваемых ГТ, а, следовательно, и чувствительность чипа.

2. Функционализация поверхности плазмонных наночастиц: Функционализация поверхности плазмонных наночастиц молекулярными линкерами увеличивает сродство поверхности к молекулам, подлежащим детектированию. Такую функционализацию осуществляют посредством следующих линкеров:

а) кавитандные линкеры (КЛ), способные связывать специфические молекулы посредством механизма включения, обусловленного существованием внутренних полостей в этих молекулах. Функционализация поверхностей плазмонных наночастиц этими кавитандами требует использования специфических молекулярных групп для обеспечения их взаимодействия с поверхностью плазмонных наночастиц;

б) бифункциональные линкеры (BL). Бифункциональные линкеры используются для присоединения НЧ с подходящими расстояниями или промежутками между НЧ, что приводит к созданию ГТ в промежутке между отдельными наночастицами. Эти молекулярные линкеры также обеспечивают подходящую среду для связывания большого количества гидрофобных молекул, подлежащих детектированию. Использование бифункциональных молекул также обеспечивает возможность создания второго и дополнительного слоев НЧ, что приводит к формированию дополнительных ГТ между слоями НЧ,

c) другие молекулы, обеспечивающие благоприятные условия для избирательного связывания молекул, подлежащих детектированию.

Краткое описание чертежей

На фигуре показано схематическое изображение структуры нанооптического чипа.

Осуществление изобретения

Нанооптический чип объединяет две различные части: поверхность плазмонных наночастиц, состоящую из плазмонных наночастиц, осажденных на подложку, и молекулярную функционализацию поверхности плазмонных наночастиц.

Поверхность 2 плазмонных наночастиц содержит плазмонные наночастицы 5 (НЧ 5), выполненные с соответствующей формой и расстоянием друг от друга и иммобилизованные на подложке 1. В зависимости от типа НЧ 5, осажденных на подложку 1, и расстояния между ними, генерируется оптимальное количество ГТ 4, где ЭП значительно усилено за счет взаимодействия света и плазмонов.

Как избирательность, так и чувствительность создаваемой таким образом поверхности 2 плазмонных наночастиц для детектирования веществ/молекул увеличиваются за счет молекулярной функционализации 3 поверхности 2 плазмонных наночастиц. Наиболее подходящая функционализация обеспечивается посредством следующих линкеров: i) кавитандные линкеры (КЛ), содержащие в своей структуре внутренние полости. Молекулы КЛ связываются непосредственно с поверхностью, и они обеспечивают высокоспецифичное детектирование и связывание молекул, подлежащих детектированию; ii) бифункциональные линкеры (БЛ), содержащие алифатические цепи, или другие молекулы, создающие благоприятные условия для избирательного связывания молекул, подлежащих детектированию.

Последующее увеличение чувствительности и избирательности нанооптического чипа заключается в возможности присоединения второго слоя НЧ 5 с различной морфологией (формой), таких как круглых НЧ, пирамидальных НЧ, звездообразных НЧ, к первичной функционализированной поверхности 2 плазмонных наночастиц. Цель состоит в том, чтобы увеличить размер поверхности, доступной для связывания веществ/молекул, подлежащих детектированию, с одновременным увеличением количества ГТ в нанооптическом чипе. Кроме того, функционализация второго слоя НЧ 5 обеспечивает благоприятные условия для связывания других молекул, подлежащих детектированию.

Промышленная применимость

Нанооптические чипы выполнены с возможностью детектирования веществ/молекул в окружающей среде (воде, воздухе, почве), пище и биологических системах. Детектирование и идентификация этих веществ/молекул признаннами способами (масс-спектрометрия или газовая хроматография) является времязатратным и дорогим. По сравнению с признанными способами (масс-спектрометрия или газовая хроматография) детектирование веществ/молекул посредством нанооптических чипов дешевле, быстрее, обладает большей чувствительностью и может осуществляться на месте (без необходимости предварительной обработки образцов в лаборатории).

Перечень сокращений:

ЭП Электромагнитное поле

SERS Поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия

ГТ Горячие точки (области высокой интенсивности ЭП)

PLD Импульсное лазерное осаждение

НП плазмонные наночастицы

БЛ Бифункциональные линкеры

КЛ Кавитандные линкеры

1. Структура нанооптического чипа для детектирования молекул, образованая поверхностью (2) плазмонных наночастиц, состоящей из плазмонных наночастиц (5), осажденных на подложку (1) с выбранным расстоянием между отдельными наночастицами, отличающаяся тем, что первичная поверхность (2) плазмонных наночастиц функционализирована (3) специфическими линкерами КЛ - кавитандный линкер, БЛ - бифункциональный линкер и/или другими молекулами, обеспечивающими благоприятные условия для связывания и детектирования выбранных молекул на первичной поверхности плазмонных наночастиц.

2. Структура нанооптического чипа по п.1, отличающаяся осаждением дополнительного слоя/слоев плазмонных наночастиц (5) с выбранной формой отдельных наночастиц.

3. Структура нанооптического чипа по п.2, отличающаяся функционализацией (3) второго/дополнительного слоя/слоев плазмонных наночастиц (5) посредством специфических линкеров КЛ, БЛ и/или других молекул, обеспечивающих благоприятные условия для связывания и последующего детектирования молекул на вторичной и/или дополнительной поверхности/поверхностях плазмонных наночастиц.

Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской экологии, гигиенической диагностике. При наличии у школьника одновременно в крови свинца в 1,7 и более раза выше регионального фонового уровня, марганца в 1,2 и более раза выше регионального фонового уровня, при содержании в крови кальция ионизированного в пределах 1,055-1,14 ммоль/дм3; кортизола в пределах 231,67-336,35 ммоль/см3.

Способ молекулярно-генетического прогнозирования риска развития хронического пылевого бронхита у работников угледобывающей промышленности // 2767916

Изобретение относится к области медицины. Предложен способ молекулярно-генетического прогнозирования риска развития хронического пылевого бронхита у работников угледобывающей промышленности.

Способ ранней диагностики эндотелиальной дисфункции почек у больных хронической обструктивной болезнью легких // 2767701

Изобретение относится к области медицины, а именно к нефрологии, пульмонологии, и может быть использовано при диагностике хронической болезни почек у больных хронической обструктивной болезнью легких. Для этого определяют в крови уровень сывороточного креатинина (SCr), осуществляют подсчет скорости клубочковой фильтрации (СКФ) и гомоцистеина (ГЦ).

Способ прогнозирования коморбидного течения аффективных расстройств и алкоголизма на основе определения белков сыворотки крови // 2767699

Изобретение относится к медицине, а именно к психиатрии и наркологии, и может быть использовано для прогнозирования коморбидного течения аффективных расстройств и алкоголизма. Для этого оценивают содержание нейроспецифических белков в сыворотке крови: концентрацию белка S-100, глиального фибриллярного кислого белка (GFAP) и нейронспецифичной енолазы (NSE).

Кассета для тестирования со встроенным передаточным модулем // 2767695

Изобретение относится к области клинических диагностических приспособлений. Раскрыт передаточный модуль, выполненный с возможностью хранения и перемещения жидких образцов и содержащий внутренний кожух, вмещающий центральную камеру; чехол, сформированный вокруг внутреннего кожуха и содержащий узорчатые гребни вдоль внешней поверхности чехла, причем узорчатые гребни выполнены с возможностью создания множества клапанных участков вдоль внешней поверхности чехла, когда передаточный модуль размещен в кожухе кассеты, выполненном с возможностью вхождения в контакт с узорчатыми гребнями; и множество проходов, проходящих через чехол и внутренний кожух в центральную камеру, причем один клапанный участок из множества клапанных участков выполнен с возможностью нагнетания в нем давления отдельно от других участков из множества клапанных участков.

Способ прогнозирования риска рецидива симптомной миомы матки после проведения селективной эмболизации маточных артерий // 2766809

Изобретение относится к медицине, а именно к гинекологии, и может быть использовано для прогнозирования риска рецидива симптомной миомы матки после проведения селективной эмболизации маточных артерий. Для этого устанавливают сочетание прогностических критериев в виде показателя индекса массы тела <22,3; предшествующие обильные менструальные кровотечения и предшествующая гормональная терапия.

Способ определения вида инфекционных и асептических парапротезных/параимплантных послеоперационных осложнений после протезирования крупных суставов // 2766803

Изобретение относится к области медицины, а именно к хирургии, травматологии, ортопедии и гнойной хирургии. Для определения вида инфекционных и асептических парапротезных/параимплантных послеоперационных осложнений после протезирования крупных суставов проводят цитологическое исследование клеточного состава пунктата из области эндопротеза и отделяемого из ран и свищей.

Способ диагностики класса цирроза печени // 2766768

Изобретение относится к медицине, а именно к внутренним болезням, клинической лабораторной диагностике и гепатологии. В сыворотке крови больного определяют уровень аспартатаминотрансферазы, общего билирубина и альбумина.

Способ верификации этиологии деформаций трахеобронхиального дерева // 2766671

Изобретение относится к области медицины, а именно к эндоскопическим исследованиям. На первом этапе проводят лаваж деформированного бронха и дополнительно двух бронхов того же порядка, смежных с деформированным бронхом.

Способ оценки функционального состояния больных злокачественными новообразованиями пожилого и старческого возраста для выбора тактики лечения // 2766664

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для оценки функционального состояния больных злокачественными новообразованиями (ЗНО) пожилого и старческого возраста для выбора тактики лечения. Оценивают функциональный статус больного по шкале Eastern Cooperative Oncology Group (ECOG).

Способ определения состояния готовности и качества продуктов питания // 2767711

Изобретение относится к области определения состояния продуктов питания и касается компьютерно-реализуемого способа определения состояния готовности и качества продуктов питания. Способ содержит этапы, на которых на вычислительное устройство получают профиль запаха продуктов питания посредством обработки сигнала, полученного от по меньшей мере трех датчиков.