Люминесцентный сенсор для мультиплексного (спектрально-временного) детектирования аналитов в водных средах и способ его получения

Изобретение относится к системам мультиплексного анализа и детектирования биомаркеров в водных пробах методом проточной цитометрии для использования в медицине и биологии. Люминесцентный сенсор для мультиплексного детектирования аналитов в водной среде методом проточной цитометрии с определением времен затухания квантовых точек включает полупроводниковые нанокристаллы, внедренные в чередующиеся полимерные слои полиэлектролитов полиаллиламингидрохлорида (ПААГ) и поли(4-стиролсульфоната натрия) (ПСС), при этом в качестве внедренных в полимерные слои полиэлектролитов на поверхности полистирольных микросфер используются нанокристаллы тройного состава AgInS₂-ZnS. Техническим результатом является упрощение технологии изготовления сенсорной платформы и исключение использования токсичных веществ. 2 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к системе мультиплексного анализа для детектирования, количественного и качественного определения растворимых аналитов (биомолекул) в пробах воды и гидрофильных жидкостях и может быть использовано в медицине, биологии и экологии.

В клинико-диагностических исследованиях, которые используются в современных биологических и медицинских приложениях, необходимо обеспечить возможность определять различные биомолекулы путем разработки соответствующих селективных сенсорных платформ.

Потенциальное преимущество использования мультиплексного анализа для селективного детектирования большого числа аналитов в одном образце дает мощный импульс для повседневного использования как в исследовательских, так и в клинических лабораториях. Основным методом мультиплексного анализа является оптическая идентификация, позволяющая идентифицировать биомолекулы с помощью фотолюминесцентных зондов, используемых в составе сенсорной платформы для люминесцентного детектирования биомаркеров. Основными фотолюминесцентными характеристиками сенсорной платформы являются положение полосы излучения и времена затухания фотолюминесценции зондов.

В качестве зондов могут выступать неорганические флуорофоры, флуоресцентные органические красители, флуоресцентные белки или ферменты. Возможность использования данных материалов в качестве маркеров для мультиплексного анализа представлены в работе «Наночастицы для мультиплексной диагностики и визуализации» (Wang L., O’Donoghue М. В., Tan W. Nanoparticles for multiplex diagnostics and imaging // Nanomedicine. 2006. T. 1. №4. C. 413-426.), оптические свойства которых позволяют напрямую регистрировать фотолюминесценцию, кинетику фотолюминесценции или параметры Ферстеровского переноса энергии.

Перспективными материалами для решения задач по созданию фотолюминесцентных сенсоров могут выступать полупроводниковые квантовые точки. Использование в качестве люминесцирующих материалов полупроводниковых нанокристаллов в иммуноанализах «Люминесцентные квантовые точки в иммуноанализах» (Goldman Е.R., Medintz I.L., Mattoussi Н. Luminescent quantum dots in immunoassays // Analytical and bioanalytical chemistry. - 2006. - T. 384. - №. 3. - C. 560-563), позволяет регистрировать прямой сигнал флуоресценции с последующим обнаружением биомолекул.

Использование фотолюминесценции с временным разрешением в качестве дополнительного параметра позволит повысить эффективность методов мультиплексирования. Проблема использования фотолюминесценции с временным разрешением с резонансным переносом энергии Ферстера для определения нуклеотидной последовательности полинуклеотида частично решена в работе «Анализ нуклеиновых кислот на основе нанопор со смешанным обнаружением FRET» (Патент США № US 9862997 B2, МПК C12Q 1/6869, заявка US 14/786,518, дата публикации 09.01.2018, дата приоритета 24.05.2013).

Известны «Полупроводниковые нанокристаллические зонды для биологических применений и способы изготовления и использования таких зондов» (Заявка США № US 20170323998 А1, МПК H01L 33/0062, заявка US 15/385377, дата публикации 09.11.2017, дата приоритета 20.12.2016). Предлагаемые зонды предназначены для обнаружения биологических соединений, путем связывания с молекулой и последующим детектированием. Однако выбранные люминесцентные полупроводниковые нанокристаллы (нанокристаллы полупроводников групп II-VI, таких как MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe и HgTe, а также их смешанные композиции) обладают токсичностью, и биосовместимость этих соединений на сегодняшний день изучена недостаточно. Недостатком зондов является использование токсичных соединений в качестве детектирующего материала, что повышает негативное влияние на биосферу земли.

При этом до сих пор не защищены прецеденты использования систем на основе полупроводниковых люминесцирующих нанокристаллов тройного состава для системы мультиплексного анализа. Упоминание подобных нанокристаллов имеется в статье «Высокочувствительное флуоресцентное обнаружение гликопротеина на основе передачи энергии между квантовыми точками CuInS₂ и родамином В» (Gao X. et al. Highly sensitive fluorescence detection of glycoprotein based on energy transfer between CuInS₂ QDs and rhodamine В // Luminescence. - 2015. - T. 30. - №. 8. - C. 1389-1394.), где рассматривается метод обнаружения гликопротеинов, основанный на резонансном переносе энергии флуоресценции между квантовыми точками CuInS₂ и родамином В.

Полупроводниковые нанокристаллы хорошо совместимы с полимерами и внедрение квантовых точек в полимерные пленки позволяет получать материалы с люминесцентными свойствами, которые возможно использовать в более сложных устройствах. В работе «Композитная пластина с квантовыми точками и полимером для светоизлучающего диода и метод ее изготовления» (Патент Южной Кореи № KR 20130115771, МПК C09K 11/02, заявка 00/383,92, дата публикации 22.10.2013, дата приоритета 13.04.2012) описываются методы формирования полимерной пленки из поливинилпирролидона или поливинилового спирта с квантовыми точками тройного состава CuInS₂-ZnS и создание композиционной пластины из такой пленки и неорганического слоя на поверхности, предназначенного для защиты тройных квантовых точек от окисления и деградации. В патенте «Композитный люминесцентный материал на основе квантовых точек AgInS₂/полиметилметакрилата и его применение» (Патент КНР № CN 104263361, МПК C09K 11/62, заявка 10/404,473, дата публикации 07.01.2015, дата приоритета 15.08.2014) описывается люминесцентный материал на основе твердотельной пленки из полиметилметакрилата и квантовых точек AgInS₂ с различной длиной волны излучения для изготовления светодиода. Композитные материалы на основе квантовых точек, внедренных в полимеры, описанные в данных патентах, представляют собой макроскопические объекты, которые предназначены для оптоэлектроники и не могут быть применены в биологических или медицинских приложениях.

Наиболее близким по своим параметрам и характеристикам к предлагаемому изобретению является сенсор на основе квантовых точек CdSe-ZnS (см. «Спектрально-временное мультиплексирование в проточной цитометрии с определением времен затухания кодирующих квантовых точек в полимерных сферах» (Kage D. и др. Tempo-spectral multiplexing in flow cytometry with lifetime detection using QD-encoded polymer beads // Sci. Rep. 2020. T. 10. №1. C. 653.), для получения которого используются гранулы карбоксилированного меламиноформальдегида, растворы полимеров полиаллиламин гидрохлорида (ПААГ) и поли(4-стиролсульфоната натрия) (ПСС) и нанокристаллы состава CdSe-ZnS с максимумами фотолюминесценции при 500 и 645 нм. Методом послойного осаждения на поверхности гранул формируется полимерная оболочка, кодированнная квантовыми точками CdSe-ZnS по схеме: меламиноформальдегидная гранула / ПААГ / ПСС / ПААГ / ПСС / ПААГ / CdSe-ZnS / ПААГ / ПСС / ПААГ / ПСС / ПААГ / ПСС.0,5 мл водного раствора ПААГ с концентрацией 2 мг/мл, растворенного в водном растворе 0,5 моль/л NaCl, добавляется к 0,5 мл суспензии, содержащей ≈3,5×10⁸ микрочастиц карбоксилированного меламиноформальдегида. Суспензия обрабатывается в ультразвуковой ванне в течение 2 минут и встряхивается в течение 20 минут. Избыток полимера удаляется с помощью трех циклов промывки и центрифугирования с использованием дистиллированной воды. Полученный осадок микрогранул, покрытых ПААГ, перерастворяется в 0,5 мл дистиллированной воды. Затем слой ПСС наносится с использованием 0,5 мл раствора ПСС с концентрацией 2 мг/мл, растворенного в водном растворе 0,5 моль/л NaCl при тех же условиях, как и ПААГ. Эта процедуру повторяется для последовательного нанесения следующих слоев ПААГ, ПСС и ПААГ с нанесением каждого слоя с последующими тремя циклами промывки-центрифугирования. Загрузка квантовых точек была достигнута путем инкубирования положительно заряженных гранул с отрицательно заряженными квантовыми точками в течение 80 мин при постоянном встряхивании. После повторятся процедура нанесения слоев ПААГ, ПСС, ПААГ, ПСС, ПААГ и ПСС.

Прототип имеет следующие недостатки:

1. В качестве фотолюминофоров используются квантовые точки, содержащие токсичный материал Cd, применение которого оказывает негативное воздействие на состояние окружающей среды и опасно для использования в биологических и медицинских приложениях.

2. Сенсор представляет смесь двух отдельных систем, в которых используются нанокристаллы CdSe-ZnS с различными оптическими свойствами, что усложняет изготовление и дальнейшее использование сенсорной платформы.

3. Времена затухания люминесценции представленного сенсора (не более 25 нс), близки к временам затухания автолюминесценции типичных биологических сред, маскирующей сигнал фотолюминесценции биомаркера.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение технологии изготовления сенсорной платформы, исключающие использование токсичных веществ. Поставленная задача решается тем, что люминесцентный сенсор для мультиплексного детектирования аналитов в водной среде методом проточной цитометрии с определением времен затухания квантовых точек, представляющих нанокристаллы тройного состава AgInS₂-ZnS, внедренные в чередующиеся полимерные слои полиэлектролитов ПААГ и ПСС, находящиеся на поверхности полистирольных микросфер.

Способ изготовления люминесцентного сенсора состоит из поочередного осаждения слоев полиэлектролитов ПААГ и ПСС на поверхности полистирольных микросфер, формируя чередующиеся разноименно заряженные слои полиэлектролитов с внедренным слоем квантовых точек тройного состава AgInS₂-ZnS.

В предлагаемом сенсоре в качестве экологичной альтернативы используются бескадмиевые квантовые точки тройного состава AgInS₂, покрытые оболочкой ZnS, которые сочетают в себе низкую токсичность, интенсивную фотолюминесценцию, широкую полосу излучения и времена затухания люминесценции сотни наносекунд, что улучшает точность измеряемого сигнала. Полученная сенсорная платформа с внедренными тройными квантовыми точками будет использована в схемах обнаружения репрезентативных биомаркеров клеточных лизатов, патогенов и репрезентативных антигенов различных вирусов, включая COVID-19 с использованием проточного цитометра с системой детектирования спектрального положения, интенсивности и времени затухания люминесценции сенсора, с селекцией по резонансному переносу энергии с временным разрешением.

Сущность предполагаемого изобретения состоит в том, что в качестве чувствительного элемента для мультиплексного анализа, образующего донорно-акцепторную пару с кодированным биомаркером, используются тройные полупроводниковые нанокристаллы состава AgInS₂-ZnS, внедренные в комплекс на основе полистирольных микросфер, покрытые полиэлектролитной оболочкой, состоящей из чередующихся слоев полиаллиламин гидрохлорида (ПААГ) и поли(4-стиролсульфоната натрия) (ПСС). Квантовые точки AgInS₂-ZnS располагаются между слоями полиэлектролитров. Полученный сенсор предназначен для использования в технологиях мультиплексного анализа с помощью метода проточной цитометрии для одновременного количественного определения нескольких кодированных биоаналитов в образце. Квантовые точки AgInS₂-ZnS в составе сенсора используются в качестве донора энергии для мультиплексного зондирования с временным разрешением на основе метода резонансной передачи энергии для детектирования лизатов клеток и патогенов. Предполагаемый сенсор оптимально функционирует в водной среде, использованные квантовые точки обладают исходным квантовым выходом 40%, широкой полосой фотолюминесценции с шириной на полувысоте 110 нм и с временами затухания люминесценции 300 нс.

Принцип действия сенсора состоит в том, что исследуемые биоконъюгированные флуоресцентными красителями аналиты (биомаркеры), находящиеся в пробе, связываются с конъюгированным антителами или бактериальными клетками сенсором для реализации селективного анализа. Полученные комплексы образуют донорно-акцепторную пару между люминесцентной квантовой точкой в структуре сенсора и флуоресцентным красителем в структуре биомаркера, причем полимерная оболочка позволяет создать оптимальное расстояние для эффективной резонансной передачи энергии между донором и акцептором. Перенос энергии от квантовой точки индуцирует фотолюминесценцию красителя биомаркера, что позволяет измерять изменение оптических свойств детектируемых аналитов.

Предлагаемая сенсорная платформа с внедренными тройными квантовыми точками AgInS₂-ZnS для мультиплексного детектирования имеет следующие преимущества:

1. Предлагаемый сенсор адаптирован к условиям проточной цитометрии (приблизительно 20-100 фотонов, детектируемых за цикл измерений), позволяющий детектировать резонансный перенос энергии между биоконъюгированными аналитами и квантовыми точками AgInS₂-ZnS.

2. Предлагаемый сенсор содержит в себе биосовместимые функциональные наноматериалы, позволяющие осуществлять оптическое обнаружение и идентификацию патогенных бактерий и вирусов в пробах, взятых из организма, образцах окружающей среды или пищевых продуктах.

3. Предлагаемая сенсорная платформа позволяет совместить приготовление и обработку образцов, уменьшить объем образцов аналита до диапазона пико- и нанолитров.

Синтез квантовых точек:

В предлагаемом сенсоре используются квантовые точки состава AgInS₂-ZnS, полученные по протоколу, описанному в работе «Исследование квантовых точек AgInS₂/ZnS методом спектроскопии магнитного кругового дихроизма» (Gromova Y. et al. Investigation of AgInS₂/ZnS quantum dots by magnetic circular dichroism spectroscopy // Materials. - 2019. - T. 12. - №. 21. - C. 3616.). Гидрофильный синтез квантовых точек AgInS₂-ZnS основан на контролируемой реакции между сульфидом натрия, меркаптоацетатными комплексами серебра (I) и индия (III). В трехгорлую колбу, наполненную 96 мл дистиллированной водой, добавляется 1,0 мл водного 0,1 М раствора AgNO₃, 2 мл водного 1,0 М раствора меркаптоуксусной кислоты и 0,2 мл водного 5,0 М раствора аммиака при непрерывном магнитном перемешивании и без дополнительной инертной атмосферы. После к полученной желтой суспензии поочередно добавляются 0,45 мл водного 5,0 М раствора аммиака и 0,7 мл водного 1,0 М раствора хлорида индия в водном 0,2 М растворе азотной кислоты, что приводит к обесцвечиванию смеси из-за образования меркаптоацетатных комплексов. Затем добавляется 1,0 мл водного 1,0 М раствора Na₂S, и цвет раствора меняется на оранжевый. Полученный раствор нагревается на водяной бане до 95°С в течение 30 минут. После первой стадии синтеза для роста оболочки ZnS на поверхности ядер квантовых точек AgInS₂ при интенсивном перемешивании добавляется 1,0 мл водного 1,0 М раствора меркаптоуксусной кислоты и 1,0 мл водного раствора 1,0 М Zn(CH₃COO)₂ в водном 0,01 М растворе азотной кислоты. Полученную смесь еще раз нагревают до 95°С в течение 30 минут. В конце реакции колба охлаждается до комнатной температуры, полученный раствор квантовых точек тройного состава AgInS₂-ZnS выпаривается с помощью вакуумно-ротационного испарителя. К полученному раствору добавляется избыточное количество изопропилового спирта и раствор центрифугируется, полученный осадок квантовых точек растворяется в дистиллированной воде.

Процесс получения сенсора, кодированного квантовыми точками AgInS₂-ZnS, состоит в следующем: к микросферам полистирола добавляется 1 мл 0,5 М раствора NaCl с концентрацией полиэлектролита ПААГ 5 мг/мл. Полученная дисперсия встряхивается в течение 10 минут. Избыток полиэлектролита удаляется с помощью двух стадий отмывки: центрифугирование 30 секунд на скорости 4000 об/мин, удаление надосадочной жидкости, добавление 1 мл дистиллированной воды и последующего центрифугирования в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин. Затем к промытому осадку сфер добавляется 1 мл 0,5 М раствор NaCl с концентрацией полиэлектролита ПСС 5 мг/мл. Полученная дисперсия встряхивается в течение 10 минут. Избыток полиэлектролита удаляется с помощью двух стадий отмывки: центрифугирование 30 секунд на скорости 4000 об/мин, удаление надосадочной жидкости, добавление 1 мл дистиллированной воды и последующего центрифугирования в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин.

После пятикратного покрытия бинарным слоем полиэлектролитов ПААГ/ПСС формируется внешний положительный слой из полиэлектролита ПААГ аналогичным методом, описанным для предыдущих слоев. Далее к сенсору добавляется 200 мкл водного концентрированного раствора квантовых точек тройного состава AgInS₂-ZnS. Раствор встряхивается в течение 10 минут и далее центрифугируется 30 секунд на скорости 4000 об/мин с целью удаления непрореагировавших квантовых точек вместе с надосадочной жидкостью и последующим промыванием дистиллированной водой. Далее к полученному сенсору добавляется 1 мл 0,5 М раствор NaCl с концентрацией полиэлектролита ПААГ 5 мг/мл. Полученная дисперсия встряхивается в течение 10 минут. Избыток полиэлектролита удаляется с помощью двух стадий отмывки: центрифугирование 30 секунд на скорости 4000 об/мин, удаление надосадочной жидкости, добавление 1 мл дистиллированной воды и последующего центрифугирования в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин. Затем к сферам добавляется 1 мл 0,5 М раствора NaCl с концентрацией полиэлектролита ПСС 5 мг/мл. Полученная дисперсия встряхивается в течение 10 минут. Избыток полиэлектролита удаляется с помощью двух стадий отмывки: центрифугирование 30 секунд на скорости 4000 об/мин, удаление надосадочной жидкости, добавление 1 мл дистиллированной воды и последующего центрифугирования в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин. Полученный и отчищенный сенсор диспергируется в дистиллированной воде.

Работа сенсора проверяется следующим образом: к сенсору добавляется водный раствор циановых красителей (3,3'-диэтилтиакарбоцианин иодид (Су3) и 3,3-диэтилтиадикарбоцианин иодид (Су5)), что приводит к образованию комплексов сенсор/краситель за счет кулоновского электростатического взаимодействия между внешним отрицательным слоем на поверхности сенсора (слой полиэлектролита ППС) и положительно заряженной молекулой цианина Су3 или Су5. При облучении образовавшегося комплекса сенсор/краситель на длине волны 405 нм, происходит возбуждение фотолюминесценции квантовых точек AgInS₂-ZnS в составе сенсора и безызлучательный перенос энергии от донора (квантовая точка AgInS₂-ZnS) к акцептору (циановый краситель) сопровождающийся уменьшением интенсивности люминесценции квантовых точек и появлением фотолюминесценция красителей. Выбор длины волны возбуждения на 405 нм обусловлен наличием локального минимума поглощения обоих цианинов. Наблюдаемая фотолюминесценция и увеличение времен релаксации люминесценции красителей в комплексах указывает на Ферстеровский перенос энергии между квантовыми точками и молекулами цианина Су3 и Су5.

Данный подход позволяет легко контролировать изменения интенсивности и времени жизни фотолюминесценции как для квантовых точек AgInS₂-ZnS, так и для красителей (Су3 или Су5), а также оценивать эффективность передачи энергии в комплексах сенсор/краситель.

1. Люминесцентный сенсор для мультиплексного детектирования аналитов в водной среде методом проточной цитометрии с определением времен затухания квантовых точек, включающий полупроводниковые нанокристаллы, внедренные в чередующиеся полимерные слои полиэлектролитов полиаллиламингидрохлорида (ПААГ) и поли(4-стиролсульфоната натрия) (ПСС), отличающийся тем, что в качестве внедренных в полимерные слои полиэлектролитов на поверхности полистирольных микросфер используются нанокристаллы тройного состава AgInS₂-ZnS.

2. Способ изготовления люминесцентного сенсора для мультиплексного детектирования аналитов в водной среде методом проточной цитометрии с определением времен затухания люминесцентных квантовых точек, включающий послойное осаждение полимерных слоев на поверхности полистирольных микросфер, отличающийся тем, что в качестве внедренных в полимерные слои полиэлектролитов используются нанокристаллы тройного состава AgInS₂-ZnS, полученные гидротермальным коллоидным синтезом, для изготовления люминесцентного сенсора к осажденным полистирольным микросферам добавляют 1 мл 0,5 М раствора NaCl с концентрацией полиэлектролита ПААГ 5 мг/мл, полученную дисперсию встряхивают в течение 10 минут, для очистки от избытка полиэлектролита ПААГ раствор центрифугируют в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин, удаляют надосадочную жидкость и промывают осадок дистиллированной водой, после чего к покрытым сферам добавляют 1 мл 0,5 М раствор NaCl с концентрацией полиэлектролита ПСС 5 мг/мл, полученную дисперсию встряхивают в течение 10 минут, для очистки от избытка полиэлектролита ПСС раствор центрифугируют в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин, удаляют надосадочную жидкость и промывают осадок дистиллированной водой, указанную процедуру покрытия полиэлектролитами и очистки повторяют до образования пяти бинарных слоев ПААГ/ПСС, после полученного десятислойного покрытия полиэлектролитами на поверхности формируется положительно заряженный слой полиэлектролита ПААГ аналогичным методом, описанным для предыдущих слоев, затем к сферам добавляют 200 мкл концентрированного водного раствора квантовых точек тройного состава AgInS₂-ZnS, полученную дисперсию встряхивают в течение 10 минут, для очистки от непрореагировавших квантовых точек тройного состава раствор центрифугируют в течение 30 секунд на скорости 4000 об/мин, удаляют надосадочную жидкость и промывают осадок дистиллированной водой, полученный сенсор с внешним слоем из квантовых точек тройного состава AgInS₂-ZnS дополнительно покрывают слоями ПААГ и ПСС аналогично процедуре для покрытия предыдущих слоев.