[go: up one dir, main page]

RU2198394C2 - Optical biosensor of irreversible choline esterase in atmosphere - Google Patents

Optical biosensor of irreversible choline esterase in atmosphere Download PDF

Info

Publication number
RU2198394C2
RU2198394C2 RU2000131574A RU2000131574A RU2198394C2 RU 2198394 C2 RU2198394 C2 RU 2198394C2 RU 2000131574 A RU2000131574 A RU 2000131574A RU 2000131574 A RU2000131574 A RU 2000131574A RU 2198394 C2 RU2198394 C2 RU 2198394C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biosensor
cholinesterase
light
optical
active component
Prior art date
Application number
RU2000131574A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000131574A (en
Inventor
Э.Т. Гайнуллина
И.В. Рыбальченко
С.Б. Рыжиков
В.Ф. Таранченко
В.И. Цехмистер
Original Assignee
Военный университет радиационной, химической и биологической защиты
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Военный университет радиационной, химической и биологической защиты filed Critical Военный университет радиационной, химической и биологической защиты
Priority to RU2000131574A priority Critical patent/RU2198394C2/en
Publication of RU2000131574A publication Critical patent/RU2000131574A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2198394C2 publication Critical patent/RU2198394C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: pollution control of environment. SUBSTANCE: active component of biosensor is made of choline esterase complex with its reversible inhibiting phosphorogen immobilized on neutral substrate and analytical effect is recorded by using optical detector. Active component of biosensor is characterized in its ability to enhance fluorescence intensity when exposed to irreversible inhibitors such as O,O-diisopropyl fluorophosphate. EFFECT: simplified design, reduced analyzing time. 3 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области контроля загрязнений окружающей среды и, в частности, фосфорорганическими отравляющими веществами, инсектицидами, карбаматами. The invention relates to the field of control of environmental pollution and, in particular, organophosphorus toxic substances, insecticides, carbamates.

В полевых условиях целесообразно использование для определения ингибиторов холинэстеразы (далее по тексту ХЭ) наиболее простых по устройству и удобных в эксплуатации технических устройств типа биосенсор. In the field, it is advisable to use for the determination of cholinesterase inhibitors (hereinafter referred to as CE) the most simple in design and convenient to use technical devices such as a biosensor.

Биосенсор - это устройство, состоящее из биологического активного компонента и компонента, преобразующего аналитический эффект в какой-либо регистрируемый сигнал (световой, звуковой и т.п.). В случае оптического биосенсора аналитический эффект передается непосредственно с биологического активного компонента на оптический детектор (Э.Тернер, И.Карубе, Дж.Уилсон. Биосенсоры: основы и приложения. Москва, "Мир", 1992). A biosensor is a device consisting of a biologically active component and a component that converts the analytical effect into any registered signal (light, sound, etc.). In the case of an optical biosensor, the analytical effect is transmitted directly from the biologically active component to the optical detector (E. Turner, I. Karube, J. Wilson. Biosensors: fundamentals and applications. Moscow, Mir, 1992).

Известны оптические биосенсоры, основанные на использовании флуоресцентных меток в иммуноанализе [1, 2]. В этих биосенсорах луч от источника света проходит через оптическое волокно и возбуждает флуоресценцию комплекса антитело-антиген, образующегося на поверхности или около оптического волокна. Возникающая при этом флуоресценция через оптическое волокно и фильтр поступает на фотодиод или фотоумножитель. Недостатком этих биосенсоров является их несоответствие следующим требованиям к биосенсорам: малый размер, небольшой вес и простая конструкция. Known optical biosensors based on the use of fluorescent labels in immunoassay [1, 2]. In these biosensors, a beam from a light source passes through an optical fiber and excites fluorescence of the antibody-antigen complex that forms on the surface or near the optical fiber. The resulting fluorescence through the optical fiber and the filter enters the photodiode or photomultiplier. The disadvantage of these biosensors is their inconsistency with the following requirements for biosensors: small size, light weight and simple design.

Наиболее близким к предлагаемому аналитическому устройству является "Портативный автоматический прибор для анализа токсичных газов" (далее по тексту "биосенсор") [3], предназначенный для обнаружения ингибиторов холинэстеразы в водных пробах путем измерения флуоресценции продукта ферментативного превращения синтетического субстрата N-метилиндоксила. В качестве активного компонента в биосенсоре используется ацетилхолинэстераза, раствор которой поступает одновременно с анализируемой водной пробой в смеситель. Затем после определенного периода, необходимого для ингибирования фермента, раствор, содержащий холинэстеразу и анализируемую пробу, поступает во второй смеситель, в который одновременно подается раствор субстрата N-метилиндоксилацетата. Далее раствор поступает в оптический детектор, регистрирующий интенсивность флуоресценции. Свет флуоресценции, возникающий при воздействии возбуждающего света на образующийся при ферментативном гидролизе субстрата N-метилиндоксил, через оптическое волокно поступает на сферическую линзу, проходит через сплиттер, фильтр и далее через линзу на фотодиод. Closest to the proposed analytical device is a "Portable automatic device for the analysis of toxic gases" (hereinafter referred to as "biosensor") [3], designed to detect cholinesterase inhibitors in aqueous samples by measuring the fluorescence of the product of the enzymatic conversion of the synthetic substrate N-methylindoxyl. Acetylcholinesterase is used as the active component in the biosensor, the solution of which enters the mixer simultaneously with the analyzed water sample. Then, after a certain period necessary for the inhibition of the enzyme, the solution containing cholinesterase and the analyzed sample enters the second mixer, into which the solution of the substrate N-methylindoxyl acetate is simultaneously supplied. Next, the solution enters an optical detector that registers the fluorescence intensity. The fluorescence light arising from the action of exciting light on the N-methylindoxyl substrate formed during the enzymatic hydrolysis of a substrate enters a spherical lens through an optical fiber, passes through a splitter, a filter, and then through a lens to a photodiode.

В патенте [3] также указывается на возможность реализации альтернативной конструкции биосенсора, которая предусматривает использование в качестве активного компонента биосенсора ацетилхолинэстеразы, иммобилизованной на поверхности оптического волокна, расположенного в проточном реакторе, а также поступление субстрата N-метилиндоксилацетата в проточный реактор вместе с анализируемой жидкой пробой. Однако конкретная альтернативная конструкция биосенсора на основе иммобилизованной холинэстеразы в материалах патента не приводится. The patent [3] also indicates the possibility of implementing an alternative biosensor design, which involves the use of acetylcholinesterase immobilized on the surface of an optical fiber located in a flow reactor as an active component of the biosensor, as well as the supply of N-methylindoxyl acetate substrate in the flow reactor along with the analyzed liquid sample . However, a specific alternative biosensor design based on immobilized cholinesterase is not given in the patent materials.

Обсуждаемый биосенсор принят в качестве наиболее близкого аналога (прототипа). The biosensor under discussion is adopted as the closest analogue (prototype).

Выбор в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) данного аналитического устройства [3] предлагаемому обусловлен их пренадлежностью к одному и тому же родовому понятию "оптический биосенсор для обнаружения ингибиторов холинэстеразы", отражающему их одинаковое назначение - обнаружение ингибиторов холинэстеразы с оптической регистрацией аналитического эффекта. The choice as the closest analogue (prototype) of this analytical device [3] to the proposed one is due to their belonging to the same generic term “optical biosensor for the detection of cholinesterase inhibitors”, reflecting their identical purpose - the detection of cholinesterase inhibitors with optical recording of the analytical effect.

Общими существенными признаками предлагаемого биосенсора с прототипом являются содержание холинэстеразы на биологическом активном компоненте и использование для регистрации аналитического эффекта оптического детектора. Common essential features of the proposed biosensor with the prototype are the content of cholinesterase on the biologically active component and the use of an optical detector to record the analytical effect.

Биосенсор-прототип имеет ряд недостатков: его конструкция сложна, что обусловлено необходимостью обеспечения одновременной подачи субстрата с анализируемой пробой жидкости в проточный реактор (два насоса, проточный реактор, смеситель и т.д.), поступление жидкости в оптический датчик и т.д. Использование такого биосенсора для анализа воздуха предусматривает предварительную пробоподготовку, т.е. адсорбцию содержащихся в воздухе токсичных химикатов на сорбенте с последующей их экстракцией в соответствующий растворитель. The biosensor prototype has several disadvantages: its design is complicated, due to the need to ensure the simultaneous supply of the substrate with the analyzed sample of liquid into the flow reactor (two pumps, flow reactor, mixer, etc.), the flow of liquid into the optical sensor, etc. The use of such a biosensor for air analysis involves preliminary sample preparation, i.e. adsorption of toxic chemicals in the air on a sorbent, followed by extraction into an appropriate solvent.

Указанные выше недостатки ведут к усложнению конструкции и удорожанию прибора, а также к увеличению времени анализа. The above disadvantages lead to a complication of the design and the cost of the device, as well as to an increase in the analysis time.

Общим недостатком известных биосенсоров, в том числе и прототипа, является возможность их использования только для анализа жидких проб. Ни один из них не может быть использован для мониторинга окружающего воздуха без предварительной пробоподготовки. A common disadvantage of known biosensors, including the prototype, is the possibility of their use only for analysis of liquid samples. None of them can be used to monitor ambient air without preliminary sample preparation.

Предлагаемое решение направлено на упрощение конструкции биосенсора и сокращение времени анализа. The proposed solution is aimed at simplifying the biosensor design and reducing analysis time.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом биосенсоре активный компонент выполнен из комплекса EIf холинэстеразы с ее обратимым ингибитором-люминогеном If, иммобилизованным на нейтральной подложке, а оптический детектор представляет собой оптический волновод, внутри которого последовательно расположены по ходу светового луча от источника света (см. чертеж, позиция 1): фокусирующая сферическая линза (позиция 2), диафрагма (позиция 3), фильтр для выделения длины волны возбуждающего света (позиция 4), призма (позиция 5), фокусирующая линза (позиция 7), подложка с иммобилизованным комплексом холинэстеразы с ее обратимым ингибитором-люминогеном (позиция 6), а далее по ходу луча флуоресценции от комплекса EIf последовательно расположены фокусирующая флуоресцирующий луч света сферическая линза (позиция 7), призма (позиция 8), фильтр для выделения луча флуоресцирующего света (позиция 9), фокусирующая линза (позиция 10), фотодиод с выводом сигнала на световое табло или с возможностью получения звукового сигнала (11).The technical result is achieved by the fact that in the proposed biosensor, the active component is made of the EI f complex of cholinesterase with its reversible luminogen inhibitor I f immobilized on a neutral substrate, and the optical detector is an optical waveguide inside which are sequentially located along the light beam from the light source (see drawing, position 1): focusing spherical lens (position 2), aperture (position 3), filter for extracting the wavelength of the exciting light (position 4), prism (position 5), focusing schaya lens (position 7), the substrate with the immobilized complex of cholinesterase with its reversible inhibitor-luminogenic (position 6) and downstream from EI f complex fluorescence beam sequentially arranged focusing the fluorescent light beam spherical lens (position 7), a prism (position 8 ), a filter for highlighting a beam of fluorescent light (position 9), a focusing lens (position 10), a photodiode with a signal output to a light panel or with the possibility of receiving an audio signal (11).

Использование в предлагаемом биосенсоре активного компонента, выполненного из комплекса холинэстеразы EIf с ее обратимым ингибитором-люминогеном If, иммобилизованного на нейтральной подложке, позволило отказаться от использования субстрата. К числу обратимых ингибиторов-люминогенов холинэстеразы относятся сульфат хинидина, сульфат хинина, лактат 2-этокси-6,9-диаминоакридиния (далее по тексту риванол) и др. При воздействии холинэстеразы (ацетилхолинэстеразы) обратимый ингибитор-люминоген If теряет способность к флуоресценции, что можно объяснить образованием не флуоресцирующего фермент-ингибиторного комплекса EIf. В свою очередь, при воздействии необратимого ингибитора In, например О,О-диизопропилфторфосфата (известные необратимые ингибиторы холинэстеразы не обладают флуоресцентными свойствами), на активный компонент биосенсора наблюдается мгновенное увеличение интенсивности флуоресценции. Наблюдаемый эффект можно объяснить высокой скоростью ингибирования холинэстеразы необратимым ингибитором с образованием сначала фермент-ингибиторного комплекса EIn, а затем - фосфорилированного фермента. В результате связывания холинэстеразы в комплекс с необратимым ингибитором имеет место диссоциация комплекса EIf и выделение флуоресцирующего обратимого ингибитора-люминогена If.The use of the active component in the proposed biosensor made from the cholinesterase complex EI f with its reversible luminogen inhibitor I f immobilized on a neutral substrate allowed the use of the substrate to be abandoned. Reversible cholinesterase luminogen inhibitors include quinidine sulfate, quinine sulfate, 2-ethoxy-6,9-diaminoacridinium lactate (hereinafter referred to as rivanol), etc. When exposed to cholinesterase (acetylcholinesterase), the reversible luminogen inhibitor I f loses its ability to which can be explained by the formation of a non-fluorescent enzyme-inhibitor complex EI f . In turn, when an irreversible inhibitor of I n , for example, O, O-diisopropyl fluorophosphate (known irreversible cholinesterase inhibitors do not possess fluorescence properties), an instant increase in fluorescence intensity is observed on the active component of the biosensor. The observed effect can be explained by the high rate of cholinesterase inhibition by an irreversible inhibitor with the formation of the enzyme-inhibitor complex EI n and then the phosphorylated enzyme. As a result of the binding of cholinesterase to a complex with an irreversible inhibitor, the EI f complex dissociates and the fluorescent reversible luminogen inhibitor I f is isolated.

Дополнительное использование призмы в оптическом детекторе позволяет возбуждать обратимый ингибитор-люминоген монохроматическим светом и отсекать луч возбуждающего света от света флуоресценции. The additional use of a prism in an optical detector makes it possible to excite a reversible inhibitor-luminogen with monochromatic light and cut off the exciting light beam from fluorescence light.

В таблице приведены существенные признаки биосенсора-прототипа и предлагаемого биосенсора. The table shows the essential features of the biosensor prototype and the proposed biosensor.

Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого решения, приведенных в таблице, обеспечивает достижение заявленного технического результата: упрощения конструкции биосенсора и сокращения времени анализа. Thus, the set of essential features of the proposed solution, shown in the table, ensures the achievement of the claimed technical result: simplifying the design of the biosensor and reducing analysis time.

Использованные литературные источники
1. US Patent 4447546, issued May 8, 1984. С 12 Q 1/00.
Used literature
1. US Patent 4447546, issued May 8, 1984. C 12 Q 1/00.

2. US Patent 4558014. С 12 Q 1/00. 2. US Patent 4,558,014. With 12 Q 1/00.

3. US Patent H 1344, Aug.2, 1994. С 12 Q 1/46. 3. US Patent H 1344, Aug. 2, 1994. C 12 Q 1/46.

Claims (3)

1. Оптический биосенсор для определения ингибиторов холинэстеразы в воздухе, включающий активный компонент с иммобилизованной холинэстеразой и оптический детектор, отличающийся тем, что активный компонент выполнен из комплекса холинэстеразы с ее обратимым ингибитором-люминогеном, иммобилизованным на нейтральной подложке. 1. An optical biosensor for determining cholinesterase inhibitors in air, comprising an active component with immobilized cholinesterase and an optical detector, characterized in that the active component is made of a complex of cholinesterase with its reversible luminogen inhibitor immobilized on a neutral substrate. 2. Оптический биосенсор ингибиторов холинэстеразы в воздухе по п.1, отличающийся тем, что оптический детектор представляет собой оптический волновод, внутри которого последовательно расположены по ходу светового луча от источника света: фокусирующая сферическая линза, диафрагма, фильтр для выделения длины волны возбуждающего света, призма, фокусирующая линза, подложка с иммобилизованным комплексом холинэстеразы с ее обратимым ингибитором-люминогеном, а далее по ходу луча флуоресценции последовательно расположены фокусирующая флуоресцирующий луч света сферическая линза, призма, фильтр для выделения луча флуоресцирующего света, фокусирующая линза, фотодиод с выводом сигнала на световое табло или с возможностью получения звукового сигнала. 2. The optical biosensor of cholinesterase inhibitors in air according to claim 1, characterized in that the optical detector is an optical waveguide, inside of which are sequentially located along the light beam from the light source: a focusing spherical lens, aperture, a filter for extracting the wavelength of exciting light, a prism, a focusing lens, a substrate with an immobilized cholinesterase complex with its reversible luminogen inhibitor, and then, in the direction of the fluorescence beam, the focusing fluorescent a beam of light citing a spherical lens, a prism, a filter for separating a beam of fluorescent light, a focusing lens, a photodiode with a signal output to a light panel or with the possibility of receiving an audio signal. 3. Оптический биосенсор ингибиторов холинэстеразы в воздухе по п.1, отличающийся тем, что позволяет проводить мониторинг ингибиторов холинэстеразы в окружающей воздушной среде в следящем режиме. 3. The optical biosensor of cholinesterase inhibitors in air according to claim 1, characterized in that it allows monitoring of cholinesterase inhibitors in ambient air in a follow-up mode.
RU2000131574A 2000-12-18 2000-12-18 Optical biosensor of irreversible choline esterase in atmosphere RU2198394C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000131574A RU2198394C2 (en) 2000-12-18 2000-12-18 Optical biosensor of irreversible choline esterase in atmosphere

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000131574A RU2198394C2 (en) 2000-12-18 2000-12-18 Optical biosensor of irreversible choline esterase in atmosphere

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000131574A RU2000131574A (en) 2002-12-10
RU2198394C2 true RU2198394C2 (en) 2003-02-10

Family

ID=20243520

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000131574A RU2198394C2 (en) 2000-12-18 2000-12-18 Optical biosensor of irreversible choline esterase in atmosphere

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2198394C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2386120C2 (en) * 2007-07-31 2010-04-10 Андрей Михайлович Антохин Optical biosensor of irreversible cholinesterase inhibitors in air
RU2629703C1 (en) * 2016-05-16 2017-08-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Luminescent method of determining quantitative content of inhomogeneously distributed additional crystal phase in strongly scattering dispersive two-phase media with impurity ions-luminogens
RU2654294C2 (en) * 2016-05-26 2018-05-17 Федеральное Государственное бюджетное учреждение "27 Научный центр" Министерства обороны Российской Федерации Optical biosensor of irreversible inhibitors of cholinesterase in the air

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USH1344H (en) * 1990-10-09 1994-08-02 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Portable automatic sensor for toxic gases
RU2157850C1 (en) * 1999-05-21 2000-10-20 Военный университет радиационной, химической и биологической защиты Method of determination of anticholine esterase compounds in water and aqueous extracts

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USH1344H (en) * 1990-10-09 1994-08-02 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Portable automatic sensor for toxic gases
RU2157850C1 (en) * 1999-05-21 2000-10-20 Военный университет радиационной, химической и биологической защиты Method of determination of anticholine esterase compounds in water and aqueous extracts

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2386120C2 (en) * 2007-07-31 2010-04-10 Андрей Михайлович Антохин Optical biosensor of irreversible cholinesterase inhibitors in air
RU2629703C1 (en) * 2016-05-16 2017-08-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Luminescent method of determining quantitative content of inhomogeneously distributed additional crystal phase in strongly scattering dispersive two-phase media with impurity ions-luminogens
RU2654294C2 (en) * 2016-05-26 2018-05-17 Федеральное Государственное бюджетное учреждение "27 Научный центр" Министерства обороны Российской Федерации Optical biosensor of irreversible inhibitors of cholinesterase in the air

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4368047A (en) Process for conducting fluorescence immunoassays without added labels and employing attenuated internal reflection
US6437345B1 (en) Sensing unit provided with separated detection light guiding
US5496701A (en) Optical biosensor method for determining an analyte
CA2552752C (en) A handheld device with a disposable element for chemical analysis of multiple analytes
US6534011B1 (en) Device for detecting biochemical or chemical substances by fluorescence excitation
DE69605041D1 (en) DETECTION OF TRANSMEMBRANE POTENTIALS BY OPTICAL PROCESSES
US20080074671A1 (en) Surface plasmon enhanced fluorescence sensor and fluorescence detecting method
KR20000053341A (en) Analytical apparatus
EP0760944A1 (en) Process for detecting evanescently excited luminescence
WO2001092870A3 (en) Kit and method for determining a plurality of analytes
CA2231771A1 (en) Simultaneous dual excitation/single emission fluorescent sensing method for ph and pco2
FI831936A0 (en) FLUORESCENS, TURBIDITY, LUMINESCENS ELLER ABSORPTION
US5545517A (en) Selective metal ion detection using a photoluminescent indicator binding to a macromolecule-metal ion complex
CA2137655C (en) Sensor for optical assay
USH1344H (en) Portable automatic sensor for toxic gases
JPH06500391A (en) Analysis equipment
RU2198394C2 (en) Optical biosensor of irreversible choline esterase in atmosphere
SE9504417D0 (en) Method for determining the concentration of a specific gas and an analyzer
Wolfbeis The development of fibre-optic sensors by immobilization of fluorescent probes
Krug Neue Verfahren zur Bestimmung von Cholesterin mittels Fliessinjektionsanalyse und faseroptischen Sensoren.
Jung et al. RAPTOR: a fluoroimmunoassay-based fiber optic sensor for detection of food pathogens
Vo-Dinh et al. Laser-based fiberoptic immunosensors
RU94014522A (en) Method of evaluation of toxic effects of chemical substance and biotester for its implementation
NO161945B (en) PROCEDURE AND APPARATUS FOR DETERMINATION OF SUBSTANCES IN SOLUTION WITH AN OPTICAL CHAIRMAN.
JPH06273337A (en) Optical sensor unit