Портативное устройство для экспресс-диагностики крови

Портативное устройство для экспресс-диагностики крови

Реферат

Изобретение относится к анализу биологических материалов с использованием диффузии и миграции антигена или антитела, а также к измерению характеристик крови в живом организме, в частности к определению группы и резус-фактора крови.

Известно устройство для определения группы крови человека аппаратным способом (Н.С. Тархов, В.Л. Стекачева. Портативное устройство для экспресс-диагностики группы крови человека. Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 12. Ч. 1), работа которого основана на анализе результатов реакции антиген-антитело.

Определение группы крови и резус-фактора связано с реакций агглютинации, в процессе которой происходит изменение плотности, вязкости вещества, повышается давление. Эти параметры можно зафиксировать различными датчиками. При изменении веществом своих свойств изменяются, в частности, его акустические характеристики и, в конечном счете, акустическая нагрузка резонатора.

Для исследования анализируемой крови, упрощения процесса и повышения точности исследований разработан специальный сменный картридж, имеющий прямоугольную форму и выполненный с лунками для размещения реактивов и крови, расположенными параллельно длинной стороне, при этом количество кювет является необходимым и достаточным для анализа крови на выявление принадлежности к одной из известных групп. Под ними расположены проницаемые мембраны и датчики сверхнизкого давления.

Исследование крови с помощью известного устройства требует значительных затрат времени, что связано с необходимостью раскапывать анализируемую кровь в лунки для размещения реактивов и определять группы крови в течение 5 минут, требует достаточно большого количества исследуемого биологического материала и требует применения датчика сверхнизкого давления и усилителя импульса датчика.

Известно также портативное устройство для экспресс-диагностики крови, включающее сменный картридж, снабженный измерительными элементами, содержащими антитела против антигенов эритроцитов (Патент США US 5863802, заявл. Dec. 27, 1995, опубл. Jan. 26, 1999). В устройстве предусмотрен, по крайней мере, один сосуд для реакций, инертные частицы (гель) и одно связанное с носителями антитело и/или антиген в сосуде для реакций. Сосуды для реакций могут быть выполнены в виде микропробирок и закреплены на пластиковой карте для тестов. Предпочтительно, что на одной такой карте может быть закреплено 6 микропробирок. Данное устройство позволяет получить стабильные и воспроизводимые результаты измерений.

Вместе с тем, использование карт данного комплекта имеет ряд недостатков.

В связи с существующим ограничением на количество микропробирок на одной карте в случае углубленного анализа крови требуется использование нескольких карт. Для внесения эритроцитов или сыворотки в микропробирки необходимо раскапывание биологического материала в каждую микропробирку. Проведение измерений требует центрифугирования карт с микропробирками. Процесс центрифугирования продолжителен и составляет 10 минут. К процессу центрифугирования также предъявляются требования по допуску скорости вращения. Для подтверждения достоверности результатов измерений с помощью данных карт требуется наличие дополнительной контрольной микропробирки, содержащей нейтральный гель без антител. Визуальная субъективная оценка результата измерений требует наличия опытного персонала. Автоматическая оценка результатов требует использования оптики с системой расшифровки. Повышенные требования к опыту персонала необходимы также в случае слабой реакции агглютинации. Результаты измерений должны быть занесены в соответствующие графы карты и идентифицированы по системам АВО, резус и системе Kell. Для исследования по системам АВО, резус и системе Kell необходимо использовать соответствующие отдельные карты.

Задачей создания изобретения является повышение оперативности определения группы крови и резус-фактора, упрощение процесса при одновременном повышении эффективности работы устройства за счет уменьшения количества крови, используемой в процессе анализа.

Поставленная задача решается за счет того, что в портативном устройстве для экспресс-диагностики крови, включающем сменный картридж, снабженный измерительными элементами, содержащими антитела против антигенов эритроцитов, в качестве измерительных элементов использованы датчики на основе графена, соединенные со схемой регистрации измерений электрических параметров датчиков на основе графена, антитела против антигенов эритроцитов нанесены на биоспецифический слой, нанесенный на поверхность графена, при этом датчики на основе графена установлены на общей плате, помещенной в герметичный корпус сменного картриджа, заполненного физиологическим раствором с возможностью полного погружения в физиологический раствор всех датчиков, а в корпусе сменного картриджа предусмотрено отверстие для доставки крови и средство герметичного закрытия отверстия.

Портативное устройство для экспресс-диагностики крови, например, может содержать четыре установленных на общей плате датчика на основе графена, на поверхность каждого из которых нанесено одно из антител: анти-А, анти-В, анти-АВ и анти-D.

В другом варианте исполнения портативное устройство для экспресс-диагностики крови может содержать семь установленных на общей плате датчиков на основе графена, на поверхность каждого из которых нанесено одно из антител: анти-С, анти-с, анти-Е, анти-е, aHTH-C^w, анти-К и анти-к.

В некоторых случаях целесообразно, чтобы портативное устройство для экспресс-диагностики крови содержало одиннадцать установленных на общей плате датчиков на основе графена, на поверхность каждого из которых нанесено одно из антител: анти-А, анти-В, анти-АВ, анти-D, анти-С, анти-с, анти-Е, анти-е, анти-C^w, анти-К и анти-к.

Датчики на основе графена могут быть установлены на общей плате непосредственно под отверстием доставки крови. Поверхность датчиков модифицирована фенил-аминными группами с помощью двухстадийной электрохимической реакции. Фенил-аминные группы на поверхности графена являются якорями для закрепления белков-антител на поверхности датчика.

Малые размеры датчиков, объединение отверстия с емкостью, содержащей физиологический раствор, и отсутствие каналов доставки в системе доставки исследуемого биологического материала в корпус сменного картриджа позволяют обеспечить повышение оперативности работы устройства в целом и значительно уменьшить количество крови, требуемой для проведения исследований.

Поскольку в предлагаемом устройстве датчики на основе графена, установленные на общей плате, помещены в корпус сменного картриджа, заполненного физиологическим раствором, с обеспечением полного погружения всех датчиков в физиологический раствор, при доставке в корпус сменного картриджа с физиологическим раствором через отверстие в верхней половине корпуса всего одной капли крови, кровь, помещенная в физиологический раствор, равномерно распределяется по всему объему физиологического раствора и реакция агглютинации происходит или не происходит на всех датчиках одновременно, что сразу фиксируется схемой регистрации измерений электрических параметров датчиков на основе графена и обрабатывается этой схемой с выдачей окончательного результата о группе крови и резус-факторе на дисплей, печать и другие средства визуализации и документирования. Следует отметить, что для определения группы крови и резус-фактора требуется всего одна капля, т.е. количество используемого биологического материала минимально. Отсутствие необходимости в использовании специального датчика сверхнизкого давления с усилителем импульса датчика или специального процесса гель-фильтрации с помощью центрифуги позволяют в предлагаемом устройстве упростить процесс определения группы крови и резус-фактора. Использование в качестве измерительных элементов датчиков на основе графена повышает эффективность работы предлагаемого устройства.

В некоторых вариантах исполнения портативное устройство для экспресс-диагностики крови содержит четыре установленных на общей плате датчика на основе графена, на поверхность каждого из которых нанесено одно из антител: анти-А, анти-В, анти-АВ и анти-D, что позволяет по наличию или отсутствию реакции агглютинации на датчиках определить группу крови по системе АВО и резус-фактор по системе резус.

В некоторых вариантах исполнения портативное устройство для экспресс-диагностики крови содержит семь установленных на общей плате датчиков на основе графена, на поверхность каждого из которых нанесено одно из антител: анти-С, анти-с, анти-Е, анти-е, анти-C^w, анти-К и анти-к, что позволяет по наличию или отсутствию реакции агглютинации на датчиках определить фенотипирование по системе резус (С, с, Е, е, C^w) и группу крови по системе Kell (К и к).

В некоторых вариантах исполнения портативное устройство для экспресс-диагностики крови содержит одиннадцать установленных на общей плате датчиков на основе графена, на поверхность каждого из которых нанесено одно из антител: анти-А, анти-В, анти-АВ, анти-D, анти-С, анти-с, анти-Е, анти-е, анти-C^w, анти-К и анти-к, что позволяет по наличию или отсутствию реакции агглютинации на датчиках определить группу крови по системе АВО, фенотипирование по системе резус (D, С, с, Е, е, C^w) и группу крови по системе Kell (К и к).

Изобретение поясняется чертежами, где:

ФИГ. 1 - Общий вид сменного картриджа.

ФИГ. 2 - Плата с датчиками на основе графена.

Портативное устройство для экспресс-диагностики группы крови и резус-фактора содержит корпус 1, в котором размещены датчики в форме графеновых чипов 2, установленные на общей плате 3 с электрическими контактными площадками. Корпус выполнен из верхней 4 и нижней половины 5, герметично соединенных между собой и образующих внутреннюю герметичную заполненную физиологическим раствором полость, внутри которой размещены датчики. Корпус снабжен отверстием для доставки биологического материала 6 со средством его герметичного закрытия 7.

В процессе работы устройства капля крови через отверстие для доставки биологического материала 6 помещается в физиологический раствор, которым заполнен корпус 1, равномерно распределяясь по всему объему физиологического раствора, кровь распределяется по поверхности выполненных в форме графеновых чипов датчиков 2, установленным на общей плате 3. На поверхность каждого из датчиков 2 нанесены групповые антитела против антигенов эритроцитов. При взаимодействии антитела с конкретным антигеном по изменению сопротивления каждого графенового чипа определяется группа крови и резус-фактор.

Была изготовлена партия опытных образцов портативных устройств для экспресс-диагностики группы крови и резус-фактора в количестве 10 шт.

Во всех образцах использованы графеновые чипы размером около 1 мм, изготовленные на основе подложки карбида кремния, на поверхность которой нанесена пленка графена. На внешней поверхности пленки графена каждого чипа сделаны омические контакты, между которыми последовательно нанесен биоспецифический слой и одно из антител: анти-А, анти-В, анти-АВ, анти-D, анти-С, анти-с, анти-Е, анти-е, анти-Cw, анти-К и анти-к. Плата с закрепленными на ней одиннадцатью датчиками помещалась в корпус, герметичная полость которого заполнялась физиологическим раствором. Отверстие для доставки биологического материала до выполнения исследований было герметично закрыто пленкой.

Во время исследований через омические контакты к пленке графена подавалось постоянное напряжение, регистрировалась величина тока, проходящего через графеновую пленку. Через отверстие в верхней половине корпуса доставлялась одна капля крови. Наличие или отсутствие реакции агглютинации на каждом датчике приводило или не приводило к изменению сопротивления каждого датчика, что фиксировала схема регистрации измерений электрических параметров датчиков и выдавала окончательный результат. Время определения группы крови и резус-фактора составило менее одной минуты, что гораздо меньше по сравнению со всеми существующими методами.

Результаты исследований, проведенные с использованием устройства предлагаемой конструкции, сравнивали с результатами, полученными с помощью гелевой технологии на центрифуге Diamed-ID 12 S II с использованием гелевых ID-карт. Результаты исследований, полученные с использованием предлагаемого устройства, полностью совпали с результатами, полученными с помощью гелевой технологии на центрифуге Diamed-ID 12 S II с использованием гелевых ID-карт. При этом, в отличие от гелевой технологии на центрифуге Diamed-ID 12 S II с использованием гелевых ID-карт, для определения группы крови и резус-фактора с использованием предлагаемого устройства потребовалось в несколько раз меньше крови, а именно одна капля и потребовалось в несколько раз меньше времени, а именно менее одной минуты.

1. Портативное устройство для экспресс-диагностики группы крови и резус-фактора, включающее сменный картридж, снабженный измерительными элементами, содержащими антитела против антигенов эритроцитов, отличающееся тем, что измерительные элементы выполнены в форме графеновых чипов, установленных на общей плате с электрическими контактными площадками, на поверхность чипов нанесены групповые антитела против антигенов эритроцитов, картридж размещен в корпусе, выполненном из верхней и нижней половин, герметично соединенных между собой и образующих внутреннюю герметичную полость, заполненную физиологическим раствором с возможностью его равномерного распределения по поверхности графеновых чипов и равномерного распределения исследуемой крови по всему объему физиологического раствора; корпус снабжен отверстием для доставки биологического материала и средством герметичного закрытия отверстия, при этом каждый из графеновых чипов снабжен средством индикации изменения его сопротивления.

2. Портативное устройство для экспресс-диагностики группы крови и резус-фактора по п. 1, отличающееся тем, что содержит четыре установленных на общей плате измерительных элементов, выполненных в форме графеновых чипов, на поверхность каждого из которых нанесено одно из антител: анти-А, анти-В, анти-АВ и анти-D.

3. Портативное устройство для экспресс-диагностики крови по п. 1, отличающееся тем, что содержит семь установленных на общей плате измерительных элементов, выполненных в форме графеновых чипов, на поверхность каждого из которых нанесено одно из антител: анти-С, анти-с, анти-Е, анти-е, анти-C^w, анти-К и анти-к.

4. Портативное устройство для экспресс-диагностики крови по п. 1, отличающееся тем, что содержит одиннадцать установленных на общей плате измерительных элементов, выполненных в форме графеновых чипов, на поверхность каждого из которых нанесено одно из антител: анти-А, анти-В, анти-АВ, анти-D, анти-С, анти-с, анти-Е, анти-е, анти-C^w, анти-К и анти-к.