RU2386120C2 - Optical biosensor of irreversible cholinesterase inhibitors in air - Google Patents
Optical biosensor of irreversible cholinesterase inhibitors in air Download PDFInfo
- Publication number
- RU2386120C2 RU2386120C2 RU2007129118/13A RU2007129118A RU2386120C2 RU 2386120 C2 RU2386120 C2 RU 2386120C2 RU 2007129118/13 A RU2007129118/13 A RU 2007129118/13A RU 2007129118 A RU2007129118 A RU 2007129118A RU 2386120 C2 RU2386120 C2 RU 2386120C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- complex
- active component
- irreversible
- inhibitors
- biosensor
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области контроля загрязнений окружающей среды, в частности, фосфорорганическими инсектицидами и карбаматами.The present invention relates to the field of environmental pollution control, in particular, organophosphorus insecticides and carbamates.
Высокая токсичность и кумулятивное действие многих фосфорорганических ингибиторов (ФОИ) холинэстеразы (ChE) обусловливают актуальность создания чувствительных технических средств, предназначенных для мониторинга окружающей воздушной среды на наличие ингибиторов ChE.The high toxicity and cumulative effect of many organophosphorus inhibitors (POIs) of cholinesterase (ChE) determine the urgency of creating sensitive technical tools designed to monitor the ambient air for the presence of ChE inhibitors.
В полевых условиях целесообразно использование для определения ингибиторов ChE наиболее простых по устройству и удобных в эксплуатации аналитических технических средств типа биосенсор - устройства, состоящего из активного компонента и преобразователя аналитического эффекта в регистрируемый сигнал (световой, звуковой и т.п.). Активный компонент биосенсора (БС) играет, в основном, роль «узнающего» агента, который специфически взаимодействует с определяемым веществом, например фермент - субстрат, фермент - ингибитор и др. Этой роли хорошо соответствует ChE, отличающаяся высокой чувствительностью и специфичностью по отношению к ее ингибиторам. Для преобразования аналитического эффекта в информационный сигнал используют, как правило, оптические схемы.In the field, it is advisable to use the most simple in design and easy-to-use analytical technical equipment for determining ChE inhibitors, such as a biosensor - a device consisting of an active component and a converter of the analytical effect into a recorded signal (light, sound, etc.). The active component of the biosensor (BS) mainly plays the role of a “recognizing” agent that specifically interacts with the analyte, for example, an enzyme — a substrate, an enzyme — an inhibitor, etc. This role is well matched by ChE, which is highly sensitive and specific in relation to it inhibitors. To convert the analytical effect into an information signal, optical schemes are usually used.
Из оптических БС наибольшей чувствительностью к ФОИ отличаются БС, основанные на регистрации в качестве аналитического отклика флуоресценции. Известны оптические БС определения ингибиторов ChE, основанные на использовании флуоресцентной метки, являющейся обратимым ингибитором ChE [1, 2]. Например, для анализа проб воды в качестве активного компонента оптического БС используется комплекс ацетилхолинэстеразы (AChE) и флуоресцеинизоцианата (FITC), иммобилизованный на волокнах кварца [1]. Активность AChE контролируют по рН-зависимости флуоресцентного сигнала комплекса FITC-AChE, иммобилизованого на поверхности волокна. В результате ферментативного гидролиза субстрата (ацетилхолина) ацетилхолинэстеразой образуются протоны, которые ингибируют AChE, меченную FITC, и это вызывает тушение флуоресценции реакционного раствора. Обратимые ингибиторы эдрофониум и карбамат неостигмин в концентрации 0.1 мМ ингибируют AChE, меченную FITC, что ведет к уменьшению степени тушения флуоресценции. Степень снижения интенсивности флуоресценции обратно пропорциональна концентрации этих ингибиторов. Такой БС определяет концентрации ФОИ (эхотиофат и параоксон) в интервале нМ-мкМ.Of the optical BSs, BSs are most sensitive to FSI, based on recording as an analytical fluorescence response. Optical BS definitions of ChE inhibitors are known, based on the use of a fluorescent label, which is a reversible ChE inhibitor [1, 2]. For example, to analyze water samples, the complex of acetylcholinesterase (AChE) and fluorescein isocyanate (FITC) immobilized on silica fibers is used as the active component of an optical BS [1]. AChE activity is monitored by the pH dependence of the fluorescent signal of the FITC-AChE complex immobilized on the surface of the fiber. Enzymatic hydrolysis of the substrate (acetylcholine) with acetylcholinesterase results in the formation of protons that inhibit AChE labeled with FITC, and this causes quenching of the fluorescence of the reaction solution. Reversible inhibitors of edrofonium and neostigmine carbamate at a concentration of 0.1 mM inhibit FITC-labeled AChE, which leads to a decrease in the degree of fluorescence quenching. The degree of decrease in fluorescence intensity is inversely proportional to the concentration of these inhibitors. Such a BS determines the concentration of POI (echothiophate and paraoxon) in the range of nM-μM.
Недостатком данного БС является его низкая специфичность, высокая чувствительность к кислым реагентам, которые могут присутствовать в анализируемом воздухе и, таким образом, вносить определенную погрешность в результаты анализа. Перечисленные недостатки такого БС не дают возможность использовать его для определения ингибиторов ChE в воздушной среде и проведения мониторинга.The disadvantage of this BS is its low specificity, high sensitivity to acid reagents that may be present in the analyzed air and, thus, introduce a certain error in the analysis results. The listed disadvantages of such a BS do not make it possible to use it for determination of ChE inhibitors in the air and monitoring.
Наиболее близким к предлагаемому аналитическому устройству является оптический БС для определения ингибиторов ChE в воздухе, активный компонент которого выполнен из комплекса этого фермента с обратимым ингибитором-люмогеном If, иммобилизованного на нейтральной подложке [2]. Интенсивность флуоресценции If, например N-метилакридина, снижается при воздействии ChE, что обусловлено образованием нефлуоресцирующего фермент-ингибиторного комплекса [ChE-If]. В свою очередь, при воздействии нефлуоресцирующего необратимого ингибитора In, например O,O-диизопропилфторфосфата, наблюдается увеличение интенсивности флуоресценции. Наблюдаемый эффект обусловлен фосфорилированием ChE с высокой скоростью, что ведет к смещению равновесия в сторону диссоциации комплекса [ChE-If], увеличению концентрации свободного обратимого флуорофора-ингибитора If и, как следствие, к увеличению интенсивности флуоресценции реакционного раствора. Преимуществом данного БС является несущественное влияние повышенной кислотности атмосферного воздуха благодаря использованию в активном компоненте буфера с высокой буферной емкостью.Closest to the proposed analytical device is an optical BS for determining ChE inhibitors in air, the active component of which is made from a complex of this enzyme with a reversible lumogen inhibitor I f immobilized on a neutral substrate [2]. The fluorescence intensity of I f , for example N-methylacridine, decreases when exposed to ChE, which is due to the formation of a non-fluorescent enzyme-inhibitor complex [ChE-I f ]. In turn, when exposed to a non-fluorescent irreversible inhibitor I n , for example O, O-diisopropyl fluorophosphate, an increase in the fluorescence intensity is observed. The observed effect is due to high-speed phosphorylation of ChE, which leads to a shift in equilibrium towards dissociation of the [ChE-I f ] complex, an increase in the concentration of free reversible fluorophore inhibitor I f, and, as a consequence, to an increase in the fluorescence intensity of the reaction solution. The advantage of this BS is the insignificant effect of the increased acidity of atmospheric air due to the use of a buffer with a high buffer capacity in the active component.
Однако этот БС не отвечает современным требованиям по чувствительности. Данный БС принят в качестве прототипа.However, this BS does not meet modern requirements for sensitivity. This BS is adopted as a prototype.
Предлагаемое решение направлено на увеличение чувствительности БС к ингибиторам ChE.The proposed solution is aimed at increasing the sensitivity of BS to ChE inhibitors.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом БС активный компонент представляет собой иммобилизированный на подложке интенсивно флуоресцирующий комплекс, образованный AChE и флуорогеном из группы индикаторов типа "молекулярный ротор" (MR). Известен ряд таких флуорогенов MR, например пропидиум, галламин, тиофлавин Т (ТФ) и др. [3], интенсивность флуоресценции которых, например ТФ, увеличивается в присутствии AChE на два-три порядка [3]. При воздействии ФОИ на активный компонент происходит снижение интенсивности флуоресценции комплекса [AChE-ТФ] пропорционально концентрации необратимого ингибитора. В то же время установлено увеличение скорости ингибирования AChE фосфорорганическими ингибиторами в присутствии некоторых MR, например пропидиума или ТФ. Эти свойства MR позволили предложить в качестве активного компонента БС использовать комплекс [AChE-MR], отличающийся более высокой чувствительностью и меньшим временем отклика аналитического эффекта к необратимым ингибиторам ChE по сравнению с активным компонентом БС прототипа.The technical result is achieved by the fact that in the proposed BS, the active component is an intensely fluorescent complex immobilized on a substrate formed by AChE and fluorogen from the group of indicators of the "molecular rotor" type (MR). A number of such fluorogens MR are known, for example, propidium, gallamine, thioflavin T (TF) and others [3], the fluorescence intensity of which, for example TF, increases in the presence of AChE by two to three orders of magnitude [3]. When the POI acts on the active component, the fluorescence intensity of the [AChE-TF] complex decreases in proportion to the concentration of the irreversible inhibitor. At the same time, an increase in the rate of AChE inhibition by organophosphorus inhibitors in the presence of certain MRs, such as propidium or TF, was found. These MR properties allowed us to propose using the [AChE-MR] complex as an active component of the BS, which is characterized by a higher sensitivity and shorter response time of the analytical effect to irreversible ChE inhibitors compared to the active component of the prototype BS.
Кроме того, в оптическую часть БС предлагается внести лазерный источник света для возбуждения активного компонента, модулятор и синхронный усилитель, что позволит увеличить чувствительность БС в целом.In addition, it is proposed to introduce a laser light source to excite the active component, a modulator and a synchronous amplifier into the optical part of the BS, which will increase the sensitivity of the BS as a whole.
Конструкция оптической части БС представлена на чертеже в виде блок-схемы.The design of the optical part of the BS is shown in the drawing in the form of a block diagram.
Пример. Изготовление активного компонентаExample. The manufacture of the active component
Использовались следующие реактивы фирмы "Sigma": ацетилхолинэстераза угря, тиофлавин Т, Na2HPO4, KH2PO4, параоксон, N-изопропилакриламид, N,N'-метилен-бисакриламид.The following Sigma reagents were used: eel acetylcholinesterase, thioflavin T, Na 2 HPO 4 , KH 2 PO 4 , paraoxone, N-isopropyl acrylamide, N, N'-methylene-bisacrylamide.
Иммобилизацию комплекса АХЭ с тиофлавином проводили в 0.03 М трис-HCI буфере (рН 7) при 4°С.The AChE complex with thioflavin was immobilized in 0.03 M Tris-HCI buffer (pH 7) at 4 ° С.
В 1 мл 0.03 М трис-HCI буфера (рН 7), содержащего 200 мг N-изопропилакриламида, АХЭ (20 Е/мл) и 1 мМ тиофлавина, добавляли при 4°С и перемешивании 0.02 мл раствора N,N'-метилен-бисакриламида (18 мг/мл), наносили на поверхность нейтральной полимерной пленки и проводили полимеризацию в течение 20 мин при УФ-облучении.In 1 ml of 0.03 M Tris-HCI buffer (pH 7) containing 200 mg of N-isopropylacrylamide, AChE (20 U / ml) and 1 mM thioflavin were added at 4 ° С with stirring 0.02 ml of a solution of N, N'-methylene- bisacrylamide (18 mg / ml) was applied to the surface of a neutral polymer film and polymerized for 20 minutes under UV irradiation.
Анализ результатов определения необратимого ингибитора параоксона биосенсором-прототипом и предлагаемым биосенсором приведен таблице 1.The analysis of the results of the determination of an irreversible paraoxon inhibitor by the biosensor prototype and the proposed biosensor are given in table 1.
Из представленных в таблице 1 данных следует, что чувствительность к параоксону предложенного активного компонента существенно выше, чем прототипа.From the data presented in table 1, it follows that the sensitivity to the paraoxon of the proposed active component is significantly higher than the prototype.
Таким образом, активный компонент биосенсора на основе иммобилизированного на подложке интенсивно флуоресцирующего комплекса, образованного AChE и флуорогеном из группы индикаторов типа "молекулярный ротор" (MR), позволяет повысить интенсивность флуоресценции на два-три порядка и обладает способностью ускорять необратимое ингибирование AChE, что позволило сконструировать БС, более чувствительный к необратимым ингибиторам, в том числе и фосфорорганическим ингибиторам, по сравнению с БС прототипом.Thus, the active component of a biosensor based on an intensely fluorescent complex immobilized on a substrate formed by AChE and a fluorogen from the group of molecular rotor (MR) type indicators can increase the fluorescence intensity by two to three orders of magnitude and has the ability to accelerate irreversible inhibition of AChE, which allowed to design a BS more sensitive to irreversible inhibitors, including organophosphorus inhibitors, compared with a prototype BS.
В таблице 2 сопоставлены существенные признаки БС прототипа и предлагаемого БС.Table 2 compares the essential features of the BS prototype and the proposed BS.
Использованные литературные источникиUsed literature
1. Rogers K.R, Сао С.J, Valdes J.J, Eldefrawi A.T, Eldefrawi M. E. Fundam Appl Toxicol 1991. v.16, p.810-20.1. Rogers K.R., Sao C.J., Valdes J.J., Eldefrawi A.T., Eldefrawi M. E. Fundam Appl Toxicol 1991. v.16, p. 810-20.
2. Патент РФ №2198394, 18.12.2003. МПК7 C12Q 1/46, G01N 21/76.2. RF patent No. 2198394, 12/18/2003. IPC 7 C12Q 1/46, G01N 21/76.
3. De Ferrari G.V., Mallender W.D., Inestrosa N.C., Rosenberry T.L. J.Biol. Chem. 2001. v.276, p.23282-23287.3. De Ferrari G.V., Mallender W. D., Inestrosa N.C., Rosenberry T.L. J. Biol. Chem. 2001. v.276, p.23282-23287.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007129118/13A RU2386120C2 (en) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | Optical biosensor of irreversible cholinesterase inhibitors in air |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007129118/13A RU2386120C2 (en) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | Optical biosensor of irreversible cholinesterase inhibitors in air |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007129118A RU2007129118A (en) | 2009-02-10 |
| RU2386120C2 true RU2386120C2 (en) | 2010-04-10 |
Family
ID=40546239
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007129118/13A RU2386120C2 (en) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | Optical biosensor of irreversible cholinesterase inhibitors in air |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2386120C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3196315A1 (en) | 2016-01-19 | 2017-07-26 | ORITEST spol. s r.o. | Spherical pellets, manufacturing process of such pellets, use, and a detection tube comprising such pellets |
| 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 (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2198394C2 (en) * | 2000-12-18 | 2003-02-10 | Военный университет радиационной, химической и биологической защиты | Optical biosensor of irreversible choline esterase in atmosphere |
-
2007
- 2007-07-31 RU RU2007129118/13A patent/RU2386120C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2198394C2 (en) * | 2000-12-18 | 2003-02-10 | Военный университет радиационной, химической и биологической защиты | Optical biosensor of irreversible choline esterase in atmosphere |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| De Ferrari G.V., Mallender W.D., Inestrosa N.C., Rosenberry T.L., J.Biol. Chem., 2001, June, 29, v.276, p.23282-23287. Зарубежная наука и техника, вып. 23, 30.01.2006, Молекулярные технологии. Новости науки и техники. Rogers K.R., Cao C.J., Valdes J.J., Eldefrawi А.Т., Eldefrawi М.Е., Fundam Appl Toxicol, 1991, v.16, p.810-820. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3196315A1 (en) | 2016-01-19 | 2017-07-26 | ORITEST spol. s r.o. | Spherical pellets, manufacturing process of such pellets, use, and a detection tube comprising such pellets |
| 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 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007129118A (en) | 2009-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Thompson et al. | Enzyme-based fiber optic zinc biosensor | |
| Rogers et al. | Acetylcholinesterase fiber-optic biosensor for detection of anticholinesterases | |
| Azmi et al. | A simple and sensitive fluorescence based biosensor for the determination of uric acid using H2O2-sensitive quantum dots/dual enzymes | |
| Bernabei et al. | Determination of organophosphorus and carbamic pesticides with a choline and acetylcholine electrochemical biosensor | |
| Leikert et al. | Reliable in vitro measurement of nitric oxide released from endothelial cells using low concentrations of the fluorescent probe 4, 5‐diaminofluorescein | |
| Wolfbeis et al. | Reversible optical sensor membrane for hydrogen peroxide using an immobilized fluorescent probe, and its application to a glucose biosensor | |
| Huan et al. | A novel water-soluble sulfonated porphyrin fluorescence sensor for sensitive assays of H 2 O 2 and glucose | |
| US5545517A (en) | Selective metal ion detection using a photoluminescent indicator binding to a macromolecule-metal ion complex | |
| Durand et al. | Detection of organophosphorous pesticides with an immobilized cholinesterase electrode | |
| Blackburn et al. | Potentiometric biosensor employing catalytic antibodies as the molecular recognition element | |
| DE602006017827D1 (en) | USE OF AMMONIUM AND PHOSPHATES TO IMPROVE THE DETECTION OF LUCIFERASE | |
| RU2386120C2 (en) | Optical biosensor of irreversible cholinesterase inhibitors in air | |
| US8530178B2 (en) | Hydrolase detection system with caged substrates | |
| CN103969436B (en) | The new method that a kind of hypersensitive alkaline phosphatase detects | |
| FI77896B (en) | KOMPOSITION FOER BESTAEMNING AV URINSYRA ELLER KOLESTEROL I ETT VAETSKEPROV. | |
| Spangler et al. | Luminescent lanthanide complexes as probes for the determination of enzyme activities | |
| SE0103766D0 (en) | Novel assay | |
| FI95485C (en) | Determination process and series of materials for determining an enzyme in liquid | |
| US9091659B2 (en) | Hydrolase detection system with sterically caged substrates | |
| US9850522B2 (en) | One-step rapid assay for the detection of inhibitors of enzymes | |
| CN109632757A (en) | Fluorescence analysis method based on carbon quantum dot detection activity of acid phosphatase | |
| Gong et al. | Beyond “turn-on” readout: from zero background to signal amplification by combination of magnetic separation and plasmon enhanced fluorescence | |
| White et al. | Reagent-less detection of a competitive inhibitor of immobilized acetylcholinesterase | |
| RU2005116827A (en) | METHODS AND COMPOSITIONS FOR DETERMINING THE CHARACTERISTICS OF THE ENZYME OF THE OXIDATIVE-REDUCING SYSTEM OF REAGENTS | |
| El Harrad et al. | Chronoamperometric biosensor for protease activity assay and inhibitor screening |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100801 |