Разработка и исследование спектрометров и биосенсорных аналитических устройств на принципе оптического кругового дихроизма с использованием биодатчиков на основе наноконструкций ДНК

• Автор: Чулков, Дмитрий Петрович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва, Троицк
• Количество страниц: 128 с. : ил.

Содержание

Введение
Глава 1. Разработка и исследование портативного полифункционального дихрометра (СКД-2МУФ)

1.1. Принцип работы дихрометра

1.2. Описание оптической системы дихрометра

1.3. Система регистрации дихрометра

1.4. Программное обеспечение дихрометра

Глава 2. Калибровка спектрометров кругового дихроизма с помощью полимерных оптически активных материалов

2.1. Актуальность проблемы и постановка задачи

2.2. Полимерные оптические активные материалы
2.3. ПОАМ как вторичные стандарты оптической активности
Глава 3. Разработка и исследование компактных одноволновых дихрометров
3.1. Компактный одноволновый дихрометр (СКД-4)
3.2. Компактный одноволновый дихрометр (СКД-4М)
3.3. Программное обеспечение компактного дихрометра
3.4. Многофункциональная аналитическая система для определения характеристик КД ПОАМ
Глава 4. Разработка и исследование биосенсорных аналитических систем на основе разработанных дихрометров и ДНК-биодатчиков
4.1. Оптический биосенсор на основе полифункционального дихрометра и определение гепарина
4.2 Оптический биосенсор на основе полифункционального дихрометра и измерение концентрации дауномицина
4.3 Оптический биосенсор на основе одноволнового дихрометра
Заключение
Список сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов
Список литературы
Список рисунков
Список таблиц
Список формул

Введение
Наша жизнь диктует возрастающую с каждым годом необходимость разработки новых методов и приборов медицинской и экологической диагностики, контроля качества потребляемых продуктов питания, лекарственных препаратов для высокочувствительного и одновременно экспрессного определения в них опасных для здоровья и жизни соединений, “мишенью” которых является генетический материал клетки, К таким соединениям (генотоксикантам) относятся антибиотики, противоопухолевые и другие лекарственные препараты, тяжелые металлы, диоксины, наночастицы и т.п. соединения, которые следует определять в физиологических жидкостях (плазма крови, урина, вода и т.п.).
Решение этой проблемы традиционными методами и с помощью традиционной аналитической аппаратуры затруднено тем, что такое определение является процедурой дорогостоящей, требует значительного времени (сутки), необходимое оборудование стоит многие десятки тысяч долларов, работать на нем должен высококвалифицированный персонал, а чувствительность и избирательность определения биологически активных и токсичных соединений (БАС, или генотоксикантов) оказываются не всегда достаточными. По этой причине создание альтернативных экспрессных методов анализа биологических жидкостей и портативной высокочувствительной аналитической аппаратуры является исключительно важной и актуальной задачей.
Альтернативу традиционным методам составляют биосенсорные методы анализа, использующие чувствительные элементы (биодатчики) в комбинации с различного рода преобразователями. Биосенсорные технологии не обязательно лучше, чем не-биосенсорные методы, но тесная комбинация продуцирования сигнала и его детекции, возможность миниатюризации открывают новые широкие области их применений - это мониторинг непосредственно у постели больного, возможность быстрого, «он-лайнового» контроля качества фармпрепаратов, продуктов питания, в биотехнологической промышленности -
контроль и оптимизация технологических процессов, в экологическом мониторинге - обнаружение токсичных веществ немедленно, без доставки проб в лабораторию.
Анализ литературных данных свидетельствует о том, что большая часть коммерчески доступных в настоящее время биосенсорных аналитических устройств (биосенсоров) создана на основе ферментов. Однако развитие биосенсорики и биомедицины и решаемые в их рамках аналитические задачи расширяют горизонты для создания нового поколения биодатчиков, например, на основе молекул биополимеров, обладающих широкими аналитическими возможностями.
В последнее время большое внимание привлекает применение в биосенсорике оптически активных структур на основе частиц холестерической жидкокристаллической дисперсии ДНК (далее ХЖКД ДНК, DNA cholesteric liquid-crystalline dispersion, или DNA CLCD), получаемых методом «фазового исключения» жестких линейных нативных двухцепочечных молекул ДНК низкой молекулярной массы (< 1-106 Да) из водно-солевых растворов, содержащих нейтральные синтетические полимеры, в частности, полиэтиленгликоль (далее ПЭГ, или PEG). Такие частицы ХЖКД ДНК называют также «жидкокристаллические наноконструкции ДНК» («жидкие» НаК ДНК, liquid-crystalline nanoconstructions based on DNA, или DNA LC NaC) [1].
Особенности указанных выше частиц «жидких» НаК ДНК (Рис. 1) состоят в следующем:
1) полимер не входит в состав образующихся частиц «жидких» НаК ДНК;
2) для частиц «жидких» НаК ДНК характерно сохранение химической реакционной способности структурных элементов (азотистых оснований и других), высокая локальная концентрация молекул ДНК (до 400 мг/мл) и упорядоченное расположение соседних молекул ДНК;

в этой плоскости получились равными 0.4x4 мм, то есть площадь изображения источника в этой плоскости составила величину 5'ст2 = 1,6мм2, величина вт2 их,г =0.016 и, так как увеличение в системе равно единице, то используемая площадь источника оказывается равной =0.16лш2. Вычисленный из
формулы (1.11) коэффициент к получился равным £ = 0.0165, то есть оказалось, что световой поток, поступающий на вход монохроматора после второй системы, примерно в 6 раз больше соответствующего светового потока после первой системы. Таким образом, вторая система позволяет существенно повысить световой поток, поступающий в монохроматор, и поэтому является более предпочтительной.
Кроме этого, был рассчитан также вариант первой системы в условиях, когда поиск плоскости наилучшей установки осуществлялся при условии получения минимального размера изображения источника в направлении ширины щели монохроматора. Результаты расчетов показали, что эта плоскость находится на расстоянии 237.9 мм от зеркала, а размеры изображения источника в этой плоскости равны 0.5x19 мм, то есть площадь изображения источника составила величину 5'истЛ = 9.5мм2. Поэтому коэффициент к (если сравнивать его со второй системой) оказался равным £ = 0.197. Таким образом, и в этом случае первая система оказалась примерно в 5 раз хуже второй системы.
На основании произведенного расчета следует важный вывод: существенный выигрыш по световому потоку можно получить, если оставить то же самое зеркало, но ограничить его световой размер до 26 мм и расположить его по отношению к источнику и входной щели монохроматора в соответствии с Рис. 1-6.
Расширение по сравнению с прототипами рабочего диапазона в ультрафиолетовую область спектра (200 нм) выдвинуло требование уменьшения до допустимого уровня концентрации озона, образуемого под действием УФ-излучения лампы, и минимизации потерь для самого излучения, интенсивно поглощаемого образующимся озоном. Благодаря оригинальному решению,