bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2022-20-5-73-81bsuir-3415Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОФИЗИКА, РАДИОТЕХНИКА, ИНФОРМАТИКАELECTRONICS, RADIOPHYSICS, RADIOENGINEERING, INFORMATICSИзучение электрокинетических возможностей сепарации и концентрирования бактерий (S.aureus) в цельной крови четырехэлектродным биосенсорным чип-форматом с прозрачными микроэлектродамиStudy of Electrokinetic Possibilities of Bacteria (S.aureus) Separation and Concentration by Developed Four-electrode Biosensor Chip Formats with ITO Microelectrodes in Whole BloodДрапезаА. И.DrapezaA. I.

Кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник НИЛ клеточной инженерии и нанобиотехнологий 

г. Минск

Drapeza Alexander I., Cand. of Sci., Associate Professor, Leading Researcher at the Research Laboratory of Cellular Engineering and Nanobiotechnology 

Minsk

ЛазарукС. К.LazarukS. K.

Лазарук Сергей Константинович, доктор физико-математических наук, доцент, заведующий НИЛ 4.12 

220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6, тел. +375-17-293-88-69

Lazarouk Serguei Konstantinovich, Dr. of Sci., Associate Professor, Head of Laboratory 4.12

220013, Republic of Belarus, Minsk, P. Brovka St., 6, 

serg@nano.bsuir.edu.byСкороходГ. А.SkorokhodG. A.

Кандидат медицинских наук, доцент, ведущий научный сотрудник НИЛ внутрибольничных инфекций 

г. Минск

Skorokhod Genadzi A., Cand. of Sci., Associate Professor, Leading Researcher at the Research Laboratory of Nosocomial Infections

Minsk

ЛобанВ. А.LobanV. A.

Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник НИЛ клеточной инженерии и нанобиотехнологий 

г. Минск

Loban Valery A., Cand. of Sci., Leading Researche at the Research Laboratory of Cellular Engineering and Nanobiotechnology

Minsk

ОреховскаяТ. И.OrekhovskayaT. I.

Ведущий инженер-технолог НИЛ 4.12 

г. Минск

Orekhovskaya Taisa I., Аdvanced Technologist at Laboratory 4.12

Minsk

ХмельницкийА. И.KhmelnitskyA. I.

Кандидат физико-математических наук, доцент  кафедры биофизики

г. Минск

 

Khmelnitsky Alexander I., Cand. of Sci., Associate Professor at the Department of Biophysics 

Minsk

ГудковаЕ. И.GudkovaE. I.

Кандидат медицинских наук, доцент, руководитель НИЧ

г. Минск

Gudkova Elena I., Cand. of Sci., Associate Professor, Head of the Research Part 

Minsk

ДолбикА. В.DolbikA. V.

Научный сотрудник НИЛ 4.12 

г. Минск

Dolbik Alexander V., Researcher at Laboratory 4.12 

Minsk

Белорусский государственный университетBelarusian State UniversityБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and RadioelectronicsБелорусский государственный медицинский университетBelarusian State Medical University2022300820222057381Copyright © Драпеза А.И., Лазарук С.К., Скороход Г.А., Лобан В.А., Ореховская Т.И., Хмельницкий А.И., Гудкова Е.И., Долбик А.В., 20222022Драпеза А.И., Лазарук С.К., Скороход Г.А., Лобан В.А., Ореховская Т.И., Хмельницкий А.И., Гудкова Е.И., Долбик А.В.Drapeza A.I., Lazaruk S.K., Skorokhod G.A., Loban V.A., Orekhovskaya T.I., Khmelnitsky A.I., Gudkova E.I., Dolbik A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/3415

Изучены электрокинетические возможности сепарации и концентрирования бактерий S.aureus в цельной крови человека (исследуемая смесь) с помощью новой конструкции четырехэлектродного биосенсорного чип-формата с прозрачными микроэлектродами. В исследованиях использована закрытая ячейка, в которую заливали исследуемую смесь. Электрокинетическое перемещение бактерий при концентрировании наблюдалось при подаче на первый и второй кольцевые внешние электроды переменного напряжения, а на третий и четвертый полукруглые центральные электроды – постоянного напряжения. Процесс сепарации эритроцитов и концентрирования бактерий фиксировался оптическим методом для модельных условий и в цельной крови. Показано, что концентрирование бактерий проявляется через 8 минут и увеличивается к 30 минуте в области центральных электродов в модельных условиях. Измерения были проведены на биосенсорных чип-форматах, имеющих практически одинаковые электрофизические параметры емкости и проводимости на частотах от 100 Гц до 1 МГц. Установлено, что амплитудно-частотный режим и биосенсорный чип-формат могут быть использованы для разработки методического обеспечения идентификации вида бактерий, но только оптическими методами. Показано, что для увеличения количества бактерий на центральных электродах в режиме концентрирования необходимо повысить скорость электроосмотического потока на переменном токе путем оптимизации состава среды и параметров электрического режима, чтобы уравнять скорости процессов сепарации и концентрирования

 

The electrokinetic possibilities of separation and concentration of S.aureus bacteria in human whole blood (test mixture) were studied using a new design of a four-electrode biosensor chip format with transparent microelectrodes. In the measurements, a closed cell was used, into which the test mixture was poured. The electrokinetic movement of bacteria during concentration was observed when AC voltage was applied to the first and second annular external electrodes, and DC voltage was applied to the third and fourth semicircular central electrodes. The process of separation of erythrocytes and concentration of bacteria was recorded by an optical method. It is shown that the concentration of bacteria appears after 8 minutes and increases by 30 minutes in the region of the central electrodes under model conditions. The measurements were carried out on two biosensor chip formats having almost identical electrophysical parameters of capacitance and conductivity at frequencies from 100 Hz to 1 MHz. It is determined that the amplitude-frequency mode and biosensor chip format can be used to develop methodological support for the identification of bacterial species, but only by optical methods. It is shown that in order to increase the number of bacteria on both of the central electrode in the concentration mode, it is necessary to increase the speed of the electroosmotic flow at alternating current, by optimizing the composition of the medium and the parameters of the electrical regime in order to equalize the rates of separation and concentration processes.

биосенсорный чип-форматITO микроэлектродыцельная кровь человекаэритроцитыбактерии S.aureusсепарацияконцентрированиеэлектрокинетический транспортbiosensor chip formatITO microelectrodeshuman whole blooderythrocytesS.aureus bacteriaseparationconcentrationelectrokinetic transportРабота выполнена при финансовой поддержке БРФФИ (проект № T20КИТГ-011 и Ф22КИ-050).This work was supported by the Project No.T20KITG-011 and F22KI-050 of BRFFR.ReferencesГальцева И.В., Давыдова Ю.О., Капранов Н.М., Джулакян У.Л., Менделеева Л.П. Роль и место проточной цитометрии в диагностике и мониторинге минимальной остаточной болезни при множественной миеломе. Онкогематология. 2017;2:80-94. DOI: 10.17650/1818-8346-2017-12-2-80-94.Galtseva I.V., Davydova Y.O., Kapranov N.M., Julakyan U.L., Mendeleeva L.P. [The role and place of flow cytometry in the diagnosis and monitoring of minimal residual disease in multiple myeloma]. Onkogematologiya. 2017;2:80-94. DOI: 10.17650/1818-8346-2017-12-2-80-94. (In Russ.)Антонова О.С., Рудницкая Г.Е., Тупик А.Н., Буляница А.Л., Евстрапов А.А., Курочкин В.Е. Полимеразная цепная реакция: приборная и методическая реализация. Обзор аналитических характеристик. Научное приборостроение. 2011;21(4):5-21.Antonova O.S., Rudnitskaya G.Ye., Tupik A.N., Bulyanitsa A.L., Yevstrapov A.A., Kurochkin V.Ye. [Polymerase chain reaction: instrument and methodical implementation. Overview of analytical characteristics]. Nauchnoye priborostroenie. 2011;21(4):5-21. (In Russ.)Афоничева П.К., Буляница А.Л., Евстрапов А.А. «Орган-на-чипе» – материалы и методы изготовления (обзор). Научное приборостроение. 2019;29(4):3-18.Afonicheva P.K., Bulyanitsa A.L., Yevstrapov A.A. [«Organ-on-Chip» – materials and methods of manufacture (Review)]. Nauchnoye priborostroenie. 2019;29(4):3-18. (In Russ.)Feyzkhanova G., Voloshin S., Smoldovskaya O., Arefieva A., Filippova M., Barsky V., Pavlushkina L., Butvilovskaya V., Tikhonov A., Reznikov Y., Rubina A. Development of a microarray-based method for allergen-specific IgE and IgG4 detection. Clinical proteomics. 2017;14:1-13. DOI: 10.1186/s12014-016-9136-7.Feyzkhanova G., Voloshin S., Smoldovskaya O., Arefieva A., Filippova M., Barsky V., Pavlushkina L., Butvilovskaya V., Tikhonov A., Reznikov Y., Rubina A. Development of a microarray-based method for allergen-specific IgE and IgG4 detection. Clinical proteomics. 2017;14:1-13. DOI: 10.1186/s12014-016-9136-7.Драпеза А.И., Лазарук С.К., Гудкова Е.И., Лобан В.А., Ореховская Т.И., Хмельницкий А.И., Скороход Г.А. Оптимизация состава среды и размеров конструкционных элементов биопроцессорного чипа-формата с NI микроэлектродами для разделения и концентрации S.aureus в модельных условиях и в цельной крови. Сборник научных статей XII Международной научно-технической конференции «Средства медицинской электроники и новые медицинские технологии», Минск, 10 дек. 2020 г. Минск: БГУИР; 2020:163-169.Drapeza A.I., Lazarouk S.K., Gudkova E.I., Loban V.A., Orekhovskaya T.I., Khmelnitsky A.I., Skorokhod G.A. [Optimization of medium composition and sizes of design elements of bioprocessor chip format with Ni microelectrodes for separation and concentration of S.aureus under model conditions and in whole blood]. Collection of scientific articles of the XII International Scientific and Technical Conference “Means of medical electronics and new medical technologiesˮ, 10 Dec. 2020, Minsk, Belarus. Minsk: BSUIR; 2020:163-169. (In Russ.)Лобан В.А., Драпеза А.И., Ореховская Т.И., Хмельницкий А.И., Руденко Д.А., Скороход Г.А., Гудкова Е.И. Экспериментальная установка для электрокинетического управления разделением и концентрированием клеток на поверхности планарной конструкции микрочипа из микрокапли суспензий. Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сборник научных трудов в 3 кн. Книга 2. Минск: ФТИ НАН Беларуси; 2017:229-237.Loban V.A., Drapeza A.I., Orekhovskaya T.I., Khmelnitsky A.I., Rudenko D.A., Skorokhod G.A., Gudkova E.I. [Experimental setup for electrokinetic control of cell division and concentration on the surface of a planar microchip design from a microdroplet of suspensions]. Advanced methods and technologies of materials development and processing. Collection of scientific papers. Volume 2. Minsk: FTI NAN Belarusi; 2017:229-237. (In Russ.)Ореховская Т.И., Гудкова Е.И., Драпеза А.И., Лазарук С.К., Лобан В.А., Перко С.Л., Скороход Г.А., Хмельницкий А.И. Разработка и исследование биопроцессорного чип-формата на основе ITO микроэлектродов для манипуляций разделением и концентрированием клеток в гетерогенных суспензиях. Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сборник научных трудов. Минск: ФТИ НАН Беларуси; 2019:67-74.Orekhovskaya T.I., Gudkova E.I., Drapeza A.I., Lazarouk S.K., Loban V.A., Perko S.L., Skorokhod G.A., Khmelnitsky A.I. [Development and research of a bioprocessor chip format based on ITO microelectrodes for manipulating the separation and concentration of cells in heterogeneous suspensions]. Advanced methods and technologies of materials development and processing. Collection of scientific papers. Minsk: FTI NAN Belarusi; 2019:67-74. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.