Драпеза А.И., Лабунов В.А., Судник Ю.М., Лобан В.А, Ореховская
advertisement
НАНОПОРИСТЫЙ ОКСИД АЛЮМИНИЯ ДЛЯ БИОСЕНСОРНЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ БАКТЕРИЙ В КУЛЬТУРЕ Драпеза А.И., Лабунов* В.А., Судник Ю.М., Лобан В.А, Ореховская* Т.И., Лобко* Э.В., Белорусский государственный университет; *Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники; Введение Насущной потребностью медицины, экологии и биотехнологических производств является значительное сокращение времени определения наличия живых микроорганизмов в пробах в диапазоне концентраций 102-105 КОЕ/мл [1]. Для всех возможных подходов, гипотетически позволяющих решить данную проблему, требуются высокочувствительные методы контроля жизнедеятельности микроорганизмов в начальный период лаг-фазы. Одним из путей решения этой сложной задачи является создание микрочипов, обеспечивающих прямые электрические измерения с использованием наноразмерных чувствительных элементов, через которые циклически прогоняют в течение определенного периода времени инокулированную питательную среду [2]. Изготовление таких измерительных модулей сопряжено с рядом трудностей, связанных как с использованием технологии анизотропного травления материалов, так и с обеспечением условий ламинарного течения инокулированной питательной среды вдоль измерительных электродов кондуктометрических датчиков в этих модулях, а также их стерилизацией. Предлагаются также различные импедансные биосенсоры фарадеевского и нефарадевского типа [3], авторы которых ставят своей целью миниатюризацию конструкции, что позволяет максимизировать информационный сигнал, увеличить чувствительность и уменьшить объем тестируемого образца. В настоящей работе в данном направлении исследований была изучена чувствительность импедансных емкостных сенсоров нефарадеевского типа, алюминиевые электроды которых защищают тонкой диэлектрической пленкой из нанопористого оксида алюминия, при контроле различных концентраций бактерий E.coli в среде Кесслера Материалы и методы исследования Методы изготовления импедансных емкостных сенсоров нефарадеевского типа и методы исследования их электрофизических параметров описаны нами ранее в работе [4]. В работе [5] изучено влияние среды Кесслера на диэлектрическую поляризацию поверхности емкостных сенсоров, электроды которых пассивированы тонкой пленкой нанопористого оксида, имеющей толщину 400 нм и размер пор в пределах 60 нм. Полученные результаты и обсуждение Полученные в работе [5] результаты исследований показали наличие диэлектрической поляризации поверхности нанопористого оксида алюминия для различных дифференциальных пар емкостных сенсоров, которая продолжается в течение 2,5 часов практически для всех дифференциальных пар емкостных сенсоров. Было сделано предположение, что поляризация связана с возможным наличием продуктов травления анодного оксида алюминия, оставшихся в порах, а также с наличием трещин в пористом оксиде, которые могут обуславливать электролиз алюминия. Для устранения этих причин были изготовлены емкостные сенсоры имеющие толщину покрытия в пределах 100 нм с размером пор 60 нм. При этом все сенсоры массива вымачивались в дистиллированной воде в течение 2 часов и в последующем промывались в дистиллированной воде с помощью ультразвуковой ванны типа QUICK218. После сушки подложек, содержащих массив емкостных сенсоров, в термостате при температуре 70 0С в течение 2 часов проводилась сборка загрузочного модуля, содержащего ячейки для заполнения исследуемой средой. В полностью собранном загрузочном модуле с помощью прибора Е7-14 проводился отбор сенсоров в массиве, имеющих однотипные параметры на частоте 10 кГц и диэлектрической проницаемости воздуха, равной приблизительно единице. После этого загрузочный модуль помещался на 1 час для стерилизации в герметически закрываемый бокс типа 6БП1- ОС, содержащий ультрафиолетовый облучатель типа ДБ15 М. При стерилизации верхняя крышка загрузочного модуля снималась. После облучения в каждую ячейку загрузочного модуля вносили по 100 мкл среды Кесслера, содержащей соответственно 102, 103, 104 и 105 КОЕ/100 мкл бактерий E.coli. Затем загрузочный модуль вставлялся в разъем печатной платы, которая, в свою очередь, вставлялась в разъем термостата прибора Unibact [5]. На рис.1 приведены типичные зависимости изменения электрофизических свойств инокулированной питательной среды Кесслера под действием метаболизма бактерий E.coli, имеющих различную концентрацию в ячейках. а) б) Рис.1 Типичные зависимости изменения электрофизических параметров среды Кесслера на частоте 70,7 кГц от времени для различных концентраций бактерий E.coli а) активная и б) реактивная составляющие импеданса; 1-102КОЕ/100мкл; 2104КОЕ/100мкл; 3-105КОЕ/100мкл. Из приведенных на рис.1 зависимостей видно, что для концентраций 104 и105 КОЕ/100 мкл просматривается наличие трех фаз изменения электрофизических свойств инокулированной среды как по активной, так и реактивной составляющим импеданса. При этом явное различие в концентрациях проявляется только в первой фазе. Для активной составляющей это обусловлено различной скоростью изменения данных параметров в течение первых 40 минут. Для реактивной составляющей первая фаза длится в течении 1.5 часа. В то же время для концентрации бактерий E.coli 102КОЕ/100 мкл значение активной составляющей импеданса (см.рис.1а) снижается в течение первых сорока минут и в дальнейшем происходит постепенное ее увеличение в течение последующих 5 часов. Для данной концентрации реактивная составляющая импеданса в течение 6 часов изменяется однонаправлено и практически линейно. Заключение Таким образом, изучена чувствительность импедансных сенсоров нефарадеевского типа при контроле различных концентраций бактерий E.coli в cреде Кесслера. Показано, что для сокращения времени детекции бактерий в диапазоне концентраций 102-105 КОЕ/мл могут быть использованы нефарадеевские импедансные сенсоры, электроды которых пассивированы тонкой пленкой нанопористого оксида алюминия. Полученные результаты исследований показывают, что нанопористая структура оксида алюминия не разрушается под действием продуктов метаболизма бактерий E.coli в среде Кесслера, а изменения электрофизических свойств инокулированной среды обусловлены только метаболизмом бактерий. Отмечено, что эти изменения носят сложный характер в фазе адаптации бактерий к среде. Тем не менее, показано, что в начальный период времени появляется возможность детектировать жизнедеятельность бактерий и различать концентрации бактерий, используя для этого значения скорости изменения параметров импеданса среды от времени. Работа выполнена при поддержке ГПКНИ Республики Беларусь «Наноматериалы и нанотехнологии». Список литературы: [1].Talaro KP. Foundations in microbiology. 5th edition. New York, NY: McGraw–Hill; 2005. p. 209–210. [2]. Gomez R, Morisette DT, Bashir R. Impedance microbiology- on-a-chip: microfluidic bioprocessor for rapid detection of bacterial metabolism. J Microelectromechanical Systems 2005;14:829–838. [3]. Sengupta S, Battigelli DA, Chang HC. A micro-scale multi-frequency reactance measurement technique to detect bacterial growth at low bio-particle concentrations. Lab Chip 2006; 6:682–692. [4]. V. Labunov, A. Drapeza, Y.Sudnik, V. Loban, T. Orechovskaya, A. Basaev Immunochemical capacitance sensors based on nanocomposite structures/ NanobioEurope2008, Barselona, Spain, 9-13 June, http://www.nanobioeurope2008.com/files/Abstracts/Posters/Nanobio Europe2008_Labunov.pdf. [5]. А.И. Драпеза, В.А. Лобан, Ю.М. Судник, М.В. Паркун, Т.И. Ореховская, О.Н. Янковский Интегральные массивы емкостных сенсоров на основе нанопористого оксида алюминия для культуральных методов контроля микробиологического загрязнения// Мат.-лы межд.научн. конф. «Медэлектроника – 2008», Минск, 11-12 декабря 2008 г. с.75-80.
