RU189240U1

RU189240U1 - Measuring chamber of micro-system for optical analysis of biofluids

Info

Publication number: RU189240U1
Application number: RU2019102115U
Authority: RU
Inventors: Людмила Алексеевна Шамина; Иван Алексеевич Братченко; Елена Николаевна Тупикова; Владимир Игоревич Платонов; Валерий Павлович Захаров
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2019-05-16

Abstract

Полезная модель является техническим решением, относящимся к микросистемам полного анализа, а именно к lab-on-a-chip системе оптического анализа компонентного состава жидкостей, и может быть использована, в частности, для анализа химического состава биожидкостей организма человека при решении задач диагностики различных патологических состояний, таких как онкологические заболевания, а также в приборостроении при изготовлении микросистем полного анализа.Измерительная камера lab-on-a-chip системы, содержащая жидкостный канал, капилляры прокачки жидкости, углубление зондируемой области, канал с передающим волокном и канал с собирающим волокном. В разработанном техническом решении использована разъемная конструкция измерительной камеры, что обеспечивает удобство при процедурах промывки и просушки при многоразовом использовании. Пластины измерительной камеры изготовлены из силикона. Выбор материала обусловлен необходимостью герметичного соединения пластин измерительной камеры. Углубление зондируемой области имеет микроструктурированную серебряную поверхность с определенной кривизной, позволяющей возбуждать плазмонный резонанс и, как следствие, создавать поверхностное усиление рамановского сигнала исследуемой биожидкости, что улучшает качество анализа компонентного состава исследуемого образца. Кроме того, серебряное покрытие имеет высокую инертность, что обуславливает его применение при исследовании биожидкостей. 1 ил.The utility model is a technical solution related to the microsystems of a complete analysis, namely to the lab-on-a-chip optical system for analyzing the composition of liquids, and can be used, in particular, to analyze the chemical composition of the biological fluids of the human body when solving problems of diagnosing various pathological conditions, such as oncological diseases, as well as in instrumentation in the manufacture of complete analysis microsystems. liquids, deepening of the probed area, the channel with the transmitting fiber and the channel with the collecting fiber. The developed technical solution uses a detachable design of the measuring chamber, which provides convenience for washing and drying procedures for multiple use. The plates of the measuring chamber are made of silicone. The choice of material is due to the need for hermetic connection of the plates of the measuring chamber. The deepening of the probed area has a microstructured silver surface with a certain curvature, which allows to initiate plasmon resonance and, as a result, to create a surface amplification of the Raman signal of the studied biofluid, which improves the quality of the analysis of the component composition of the sample. In addition, the silver coating has a high inertness, which leads to its use in the study of biofluids. 1 il.

Description

Полезная модель измерительной камеры является техническим решением, относящимся к микросистемам полного анализа, а именно к lab-on-a-chip системе оптического анализа компонентного состава жидкостей, и может быть использована, в частности, для анализа химического состава биожидкостей организма человека при решении задач диагностики различных патологических состояний, таких как онкологические заболевания, а также в приборостроении при изготовлении микросистем полного анализа.The utility model of the measuring chamber is a technical solution related to the microsystems of the complete analysis, namely to the lab-on-a-chip optical analysis system for the composition of liquids, and can be used, in particular, to analyze the chemical composition of the biofluids of the human body when solving diagnostic problems various pathological conditions, such as cancer, as well as in instrumentation in the manufacture of microsystems complete analysis.

Патологическое состояние организма провоцирует изменение гомеостаза биожидкостей, поэтому можно использовать анализ компонентного состава урины, крови, слюны и других биожидкостей для выявления таких патологий, как например рак (Peedell С.Concise Clinical Oncology. // Elsevier Health Sciences, 2005. - 395 p.). В настоящее время для диагностики различных патологических состояний организма по биожидкостям широко применяют общие анализы (Marshall W.J. et al. Clinical Biochemistry: Metabolic and Clinical Aspects. // Elsevier Health Sciences, 2014.), биохимические анализы (Mishra S. et al. Studies of biochemical parameters in breast cancer with and without metastasis. // Indian Journal of Clinical Biochemistry, 2004. - 19(1). - P. 71-75.) и анализы на онкомаркеры (при наличии подозрений на онкопатологию) (

F. et al. Serum Tumor Markers in Pancreatic Cancer-Recent Discoveries. // J Cancers, 2010. - 2(2). - P. 1107-1124.). Перечисленные методы анализа биожидкостей могут быть реализованы в lab-on-a-chip (LOC) системах. Преимуществами таких систем являются портативность, небольшое количество тестируемого образца и высокая эффективность.The pathological condition of the body provokes a change in homeostasis of biofluids, so an analysis of the component composition of urine, blood, saliva and other biofluids can be used to identify pathologies such as cancer (Peedell C. Concise Clinical Oncology. // Elsevier Health Sciences, 2005. - 395 p. ). Currently, for the diagnosis of various pathological conditions of the body by biofluids, common tests are widely used (Marshall WJ et al. Clinical Biochemistry: Metabolic and Clinical Aspects. // Elsevier Health Sciences, 2014.), biochemical analyzes (Mishra S. et al. Studies of without india biochemistry, in. Indian Journal of Clinical Biochemistry, 2004. - 19 (1). - P. 71-75.) and tests for tumor markers (if there are suspicions of oncopathology) (

F. et al. Serum Tumor Markers in Pancreatic Cancer-Recent Discoveries. // J Cancers, 2010. - 2 (2). - P. 1107-1124.). The above methods of analysis of biological liquids can be implemented in lab-on-a-chip (LOC) systems. The advantages of such systems are portability, a small amount of the tested sample and high efficiency.

Известна LOC система для определения лития, магния, натрия и кальция в исследуемых образцах крови (A. van den Berg. Labs on chips for biomedical applications. // Proceedings of IEЕЕ 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2013. - P. 149-152.). Методологической основой этой системы является капиллярный электрофорез. Преимуществом такой системы является относительная простота реализации.Known LOC system for the determination of lithium, magnesium, sodium and calcium in the studied blood samples (A. van den Berg. Labs on chips for biomedical applications. // Proceedings of IEEE 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2013. - P. 149-152.). The methodological basis of this system is capillary electrophoresis. The advantage of this system is the relative ease of implementation.

В работе (Cardoso V.F. et al. Lab-on-a-chip using acoustic streaming for mixing and pumping fluids. // Bioengineering (ENBENG), Proceedings of 1st Portuguese Meeting in ENBENG, 2011. - P. 1-4.) описана LOC система на основе акустической потоковой передачи с применением пьезоэлектрического полимера β-PVDF, позволяющая количественно определять концентрацию мочевой кислоты.In the work (Cardoso VF et al. Lab-on-a-chip using acoustic fluxing and mixing fluids. // Bioengineering (ENBENG), Proceedings of the 1st 2012 Meeting in ENBENG, 2011. - P. 1-4.) LOC system based on acoustic streaming using a β-PVDF piezoelectric polymer, which allows to quantify the concentration of uric acid.

Среди недостатков этих систем можно отметить то, что они предназначены для одноразового использования. Поэтому такие системы менее экономически доступны, если говорить о выгодном портативном приборе для клинических применений. Кроме того, исследуемые при таких анализах компоненты биожидкостей обладают малой специфичностью для выявления патологий определенной локализации, и возможности применения большинства биохимических маркеров для скрининговых исследований так же ограничены низкой специфичностью и чаще всего их используют для мониторинга течения заболевания.Among the disadvantages of these systems can be noted that they are designed for one-time use. Therefore, such systems are less cost-effective when it comes to a cost-effective portable device for clinical applications. In addition, the components of biofluids studied in such analyzes have low specificity for detecting pathologies of a certain localization, and the possibility of using most biochemical markers for screening studies is also limited to low specificity and most often they are used to monitor the course of the disease.

Альтернативой этим методам лабораторного анализа могут стать оптические методы анализа биожидкостей. Рамановская спектроскопия (PC) и автофлуоресцентный анализ (АФ) (Tuchin V.V. Handbook of Optical Biomedical Diagnostics // SPIE Press Book, 2002.) позволяют обнаружить изменения гомеостаза биожидкостей организма на молекулярном уровне и успешно применяются в различных областях клинической медицины и в экспериментальных исследованиях при определении особенностей состава биожидкостей для выявления рака различной локализации. Например, применение PC при мониторинге состава крови у больных раком полости рта (Rekha P. et al. Raman spectroscopic characterization of blood plasma of oral cancer. // IEEE International Conference on Photonics, 2013. - P. 135-137.), раком желудка (Feng S. et al. Study on gastric cancer blood plasma based on surface-enhanced Raman spectroscopy combined with multivariate analysis. // Sci. China Life Sci., 2011. - 54(9). - P. 828-834.) и колоректальным раком (Feng S. et al, Label-free surface-enhanced Raman spectroscopy for detection of colorectal cancer and precursor lesions using blood plasma. // Biomed Opt Express, 2015. - 6(9). - P. 3494-3502.) позволило добиться чувствительности на уровне 92,3%, 79,5%, 86,4% и специфичности на уровне 85,7%, 91,0%, 80,0% соответственно. PC урины позволила выявлять рак простаты (Del Mistro G. et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy of urine for prostate cancer detection: a preliminary study. // Anal. Bioanal Chem., 2015. - 407(12). - P. 3271-3275.) с чувствительностью 100% и специфичностью 89%. Более того, возможно повысить диагностическую точность выявления онкопатологии при совместном исследовании нескольких биожидкостей. Так использование совместного АФ анализа нескольких биожидкостей организма таких, как кровь, ацетоновый экстракт клеточных компонентов, урина и мокрота, позволило добиться точности выявления рака легкого на уровне 90% (Аl-Salhi М. et al. Lung cancer detection by native fluorescence spectra of body fluids-a preliminary study. // J Fluoresc, 2011. - 21(2). - P. 637-645.). Кроме того, достоинствами рамановского и АФ анализа являются простота пробоподготовки, широкий динамический диапазон и большая универсальность по сравнению с химическими методами анализа.An alternative to these methods of laboratory analysis can be optical methods for analyzing biofluids. Raman spectroscopy (PC) and autofluorescence analysis (AF) (Tuchin VV Handbook of Optical Biomedical Diagnostics // SPIE Press Book, 2002.) allow you to detect changes in the biological fluid homeostasis at the molecular level and are successfully used in various areas of clinical medicine and in experimental studies determining the composition of biofluids for detecting cancer of various localization. For example, the use of PC in monitoring blood composition in patients with oral cancer (Rekha P. et al. Raman spectroscopic characterization of blood plasma for oral cancer. // IEEE International Conference on Photonics, 2013. - P. 135-137.), Cancer of the stomach (Feng S. et al. Raman spectroscopy combined with multivariate analysis). // Sci. China Life Sci., 2011. - 54 (9). - P. 828-834. ) and colorectal cancer (Feng S. et al., Label-free surface-enhanced Raman spectroscopy for the use of colorectal cancer and precursor lesions using blood plasma. // Biomed Opt Express, 2015. - 6 (9). - P. 3494- 3502.) allowed to achieve sensitivity at the level of 92.3%, 79.5%, 86.4% and specificity at the level of 85.7%, 91.0%, 80.0%, respectively. Urine PC allowed to detect prostate cancer (Del Mistro G. et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy). // Anal. Bioanal Chem., 2015. - 407 (12). - P. 3271 -3275.) With a sensitivity of 100% and a specificity of 89%. Moreover, it is possible to improve the diagnostic accuracy of detecting oncopathology in a joint study of several biological fluids. Thus, the use of joint AF analysis of several body bioliquids, such as blood, acetone extract of cellular components, urine and sputum, allowed us to achieve lung cancer detection accuracy of 90% (Al-Salhi M. et al. fluids-a preliminary study. // J Fluoresc, 2011. - 21 (2). P. 637-645.). In addition, the advantages of Raman and AF analysis are simplicity of sample preparation, a wide dynamic range and greater versatility compared with chemical methods of analysis.

Рамановское рассеяние представляет собой неупругое рассеяние фотонов на молекулах вещества, автофлуоресценция обусловлена безызлучательными релаксационными процессами. Поэтому форма спектра биожидкости и его интенсивность на определенных спектральных полосах обусловлена вкладом колебаний молекул нескольких соединений, определяющих химический состав биожидкости. Следовательно, анализ соотношений интенсивности отдельных полос спектра биожидкости позволяет оценить изменения гомеостаза и получить информацию о функциональном состоянии и возможных патологиях внутренних органов. Применение совместного PC и АФ анализа биожидкостей возможно в системах LOC.Raman scattering is the inelastic scattering of photons on substance molecules, autofluorescence is caused by non-radiative relaxation processes. Therefore, the shape of the spectrum of a bi-liquid and its intensity on certain spectral bands is due to the contribution of molecular vibrations of several compounds that determine the chemical composition of a bi-liquid. Consequently, the analysis of the intensity ratios of individual bands in the spectrum of bioliquids makes it possible to assess changes in homeostasis and obtain information on the functional state and possible pathologies of the internal organs. The use of joint PC and AF analysis of biofluids is possible in LOC systems.

Известны экспериментальные образцы LOC систем анализа биожидкостей на основе PC. Наиболее близким техническим решением является система, представленная в статье (Ashok Р.С. et al. Fiber probe based microfluidic Raman spectroscopy // J. Opt Express., 2010. - v. 18(8). - P. 7642-7649). Описанная система реализована на основе волоконного зонда и микрофлюидной платформы, где рамановский зонд непосредственно встроен в микросхему полидиметилсилоксана (PDMS). Разъемный волоконный зонд, используемый в этой системе, позволяет уменьшить габаритные размеры и обеспечивает гибкость регулировки геометрии системы. Предложенная система позволяет определять биологические аналиты с помощью рамановской спектроскопии. Недостатком этой системы является недостаточная чувствительность анализа при исследовании многокомпонентных сред.Known experimental samples of LOC systems for analysis of biofluids based on PC. The closest technical solution is the system presented in the article (Ashok R. S. et al. Fiber probe based microfluidic Raman spectroscopy // J. Opt Express., 2010. - v. 18 (8). - P. 7642-7649) . The described system is implemented on the basis of a fiber probe and a microfluidic platform, where the Raman probe is directly integrated into a polydimethylsiloxane chip (PDMS). The detachable fiber probe used in this system reduces overall dimensions and provides flexibility in adjusting the geometry of the system. The proposed system allows you to determine biological analytes using Raman spectroscopy. The disadvantage of this system is the lack of sensitivity of the analysis in the study of multicomponent media.

Техническим результатом разработанной полезной модели измерительной камеры является повышение качества рамановского сигнала и, как следствие, улучшение информативности проводимого анализа компонентного состава исследуемого образца, а также упрощение конструкции экспериментальной системы.The technical result of the developed model of the measuring chamber is to improve the quality of the Raman signal and, as a result, to improve the information content of the analysis of the component composition of the sample, as well as to simplify the design of the experimental system.

Указанный технический результат достигается за счет создания в зондируемой области микроструктурированной серебряной поверхности с кривизной, позволяющей возбуждать плазмонный резонанс и, как следствие, создавать поверхностное усиление рамановского сигнала исследуемой биожидкости. Улучшение качества рамановского сигнала и более подробный анализ компонентного состава биожидкости возможны с помощью поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS). Так, использование SERS плазмы крови и многофакторного анализа позволило достичь высокой чувствительности (0,91) и специфичности (1,0) дискриминации здоровой группы и группы с онкопатологиями носоглотки, а также выявить в образцах крови пациентов, страдающих раком носоглотки, специфические биомолекулярные различия, такие как: увеличение относительного количества нуклеиновой кислоты, коллагена, фосфолипидов, фенилаланина и уменьшение процента аминокислот и содержания сахаридов. (Feng S. et al. Nasopharyngeal cancer detection based on blood plasma surface-enhanced Raman spectroscopy and multivariate analysis. // J Biosens Bioelectron., 2010. - 25(11). - P. 2414-2419). Применение SERS технологии демонстрирует высокую точность анализа компонентного состава биожидкостей и дискриминации групп с различными заболеваниями. SERS позволяет добиться усиления регистрируемого сигнала на несколько порядков и имеет потенциал для успешного применения при анализе микродоз различных биологических материалов. Таким образом, система LOC на основе оптических методов, включающая технологию SERS, может упростить используемую экспериментальную установку и заменить дорогостоящий спектрометр с охлаждаемой камерой менее дорогостоящим портативным спектрометром, улучшить качество полученных спектров и повысит информативность анализа.This technical result is achieved by creating a microstructured silver surface with a curvature in the probed region, which makes it possible to excite plasmon resonance and, as a result, to create a surface amplification of the Raman signal of the studied biofluid. Improving the quality of the Raman signal and a more detailed analysis of the component composition of biofluids are possible with the help of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Thus, the use of SERS blood plasma and multivariate analysis allowed us to achieve high sensitivity (0.91) and specificity (1.0) of discrimination of the healthy group and the group with nasopharyngeal oncopathology, as well as to identify specific biomolecular differences in blood samples of patients suffering from nasopharyngeal cancer such as: an increase in the relative amount of nucleic acid, collagen, phospholipids, phenylalanine and a decrease in the percentage of amino acids and the content of saccharides. (Feng S. et al. Nasopharyngeal cancer detection of surface-enhanced raman spectroscopy and multivariate analysis. // J Biosens Bioelectron., 2010. - 25 (11). - P. 2414-2419). The use of SERS technology demonstrates the high accuracy of the analysis of the component composition of biofluids and discrimination of groups with various diseases. SERS makes it possible to achieve amplification of the recorded signal by several orders of magnitude and has the potential for successful application in the analysis of micro-doses of various biological materials. Thus, the LOC system based on optical methods, including SERS technology, can simplify the experimental setup used and replace an expensive spectrometer with a cooled camera with a less expensive portable spectrometer, improve the quality of the spectra and increase the information content of the analysis.

Схема оптического стенда, в состав которого включена измерительная камера LOC системы, представлена на рисунке. Оптический стенд включает в себя:The scheme of the optical stand, which included the measuring camera of the LOC system, is shown in the figure. Optical booth includes:

1 - лазерный модуль;1 - laser module;

2 - рамановский пробник с фильтрующей системой;2 - Raman probe with a filter system;

3 - измерительная камера LOC системы, содержащая жидкостный канал 4, капилляры прокачки жидкости 5 и 6, углубление зондируемой области 7, канал с передающим волокном 8 и канал с собирающим волокном 9;3 - measuring chamber of the LOC system, containing a liquid channel 4, capillaries for pumping fluid 5 and 6, a deepening of the probed region 7, a channel with transmitting fiber 8 and a channel with collecting fiber 9;

10 - фильтрующая система;10 - filtering system;

11 - спектрометрическая система;11 - spectrometric system;

ПК - персональный компьютер.PC - personal computer.

В разработанном техническом решении использована разъемная конструкция измерительной камеры 3, что обеспечивает удобство при процедурах промывки и просушки при многоразовом использовании. Пластины измерительной камеры изготовлены из силикона. Выбор материала обусловлен необходимостью герметичного соединения пластин измерительной камеры.The developed technical solution uses a detachable design of the measuring chamber 3, which provides convenience during washing and drying procedures for multiple use. The plates of the measuring chamber are made of silicone. The choice of material is due to the need for hermetic connection of the plates of the measuring chamber.

Возбуждение поверхностного плазмона, необходимого для усиления рамановского сигнала с помощью SERS технологии, требует использования нано- или микроструктурированной металлической поверхности (Sivanesan А. et al. Nanostructured silver-gold bimetallic SERS substrates for selective identification of bacteria in human blood. // J Analyst, 2014. - 139. - P. 1037-1043.). Объемные оптические свойства различных металлов и геометрия наноструктурированной поверхности определяют характеристики плазмонного резонанса. Вследствие того, что возбуждение спектров осуществляется излучением с длиной волны 785 нм, и спектры регистрируются в ближнем ИК диапазоне, наиболее целесообразно использовать покрытие из серебра (Sharma В. et al. SERS: Materials, applications, and the future. // Materials Today, 2012. - ISSN: 1369-7021. - 15(1). - P. 16-25.). Кроме того, этот металл имеет высокую инертность, что обуславливает его применение при исследовании биожидкостей. Поэтому с целью возбуждения плазмонного резонанса, в зондируемой области измерительной камеры LOC системы напылено серебряное покрытие с шероховатость поверхности порядка 1 мкм.The excitation of a surface plasmon needed to amplify the Raman signal using SERS technology requires the use of a nano- or microstructured metal surface (Sivanesan A. et al. Nanostructured silver blood. SERS // J Analyst, 2014. - 139. - p. 1037-1043.). The volumetric optical properties of various metals and the geometry of the nanostructured surface determine the characteristics of the plasmon resonance. Due to the fact that the spectra are excited by radiation with a wavelength of 785 nm, and the spectra are recorded in the near IR range, it is most appropriate to use a silver coating (Sharma B. et al. SERS: Materials, applications, and the future. // Materials Today, 2012. - ISSN: 1369-7021. - 15 (1). P. 16-25.). In addition, this metal has a high inertness, which leads to its use in the study of bioliquids. Therefore, in order to excite plasmon resonance, in the probed area of the measuring chamber of the LOC system, a silver coating is deposited with a surface roughness of about 1 μm.

Устройство работает следующим образом. По жидкостному каналу 4 через подающий капилляр 5 в углубление зондируемой области 7 прокачивается исследуемая жидкость. Возбуждение регистрируемых спектров производится излучением лазерного модуля 1 (центральная длина волны 785 нм). Фильтрация зондирующего сигнала осуществлялись с использованием рамановского пробника 2. Фильтрованное лазерное излучение распространяется по облучающему волокну 8 и фокусируется на микроструктурированной металлической поверхности углубления зондируемой области 7. Излучение вызывает плазмонный резонанс и рассеивается на молекулах исследуемой жидкости. Рассеянное излучение падает на торец собирающего волокна 9, фильтруется в системе 10 и передается в спектрометрическую систему 11, где раскладывается в спектр. Результат передается на персональный компьютер ПК. Жидкость выводится из системы через капилляр 8.The device works as follows. The liquid channel 4 is pumped through the feed capillary 5 into the recess of the probed region 7 through the fluid channel 4. The excitation of the recorded spectra is produced by the radiation of the laser module 1 (central wavelength 785 nm). The probing signal was filtered using a Raman probe 2. Filtered laser radiation propagates through the irradiating fiber 8 and focuses on the microstructured metal surface of the recess of the probed region 7. The radiation causes plasmon resonance and is scattered on the molecules of the liquid under study. The scattered radiation falls on the end of the collecting fiber 9, is filtered in the system 10 and transmitted to the spectrometric system 11, where it expands into a spectrum. The result is transmitted to a personal computer PC. The liquid is removed from the system through the capillary 8.

Claims

The measuring chamber of a microsystem for optical analysis of biofluids, including channels with transmitting and collecting fibers, a liquid channel with fluid pumping capillaries and a deepening of the probed region, characterized in that the deepening of the probed region has a microstructured silver surface with a curvature that allows the plasmon resonance to be excited, while the measuring chamber represents a detachable design consisting of two hermetically connected silicone plates.