Многократное использование биослоя QCM: подходы к регенерации в пьезокварцевых иммуносенсорах. Применение биосенсоров для обнаружения иммунохимических реакций (обзор)

Введение. Одним из наиболее перспективных типов иммунодатчиков являются пьезокварцевые иммуносенсоры. Единоразовое использование биосенсоров является финансово затратным, что делает регенерацию поверхности биосенсора пьезокварцевых иммуносенсоров актуальной задачей. Регенерация имеет решающее значение для поддержания работоспособности датчика и возможности повторного использования. В данной статье понятия «иммуносенсор» и «иммунобиосенсор» являются взаимозаменяемыми и используются для обозначения одного и того же типа биосенсоров, работающих на основе иммунохимических взаимодействий «антиген – антитело».

Текст. В обзоре обсуждаются особенности, принципы работы и применение пьезокварцевых иммуносенсоров QCM. Особое внимание уделяется проблеме регенерации поверхности биосенсоров как ключевому аспекту обеспечения их эффективной работы и возможности многократного использования. Рассматриваются различные методы регенерации и их преимущества. Повторная активация биослоя на электроде QCM обеспечивает его стабильность и работоспособность в течение продолжительного времени. Это особенно ценно в клинических и научных исследованиях. Возможность многократного использования биосенсора позволяет снизить затраты на материалы и сократить производство отходов, что актуально с экологической и экономической точек зрения. Также воспроизведение анализа различных аналитов на одной и той же поверхности обеспечивает гибкость в многопараметрических исследованиях. Важно подчеркнуть, что удаление остаточных анализируемых веществ и процесс регенерации биослоя способствуют надежности, селективности, повышенной чувствительности и возможности проведения воспроизводимых измерений.

Заключение. Авторами был проведен анализ научной литературы, в результате чего установлено, что регенерация биослоя имеет решающее значение для поддержания работоспособности датчика и возможности повторного использования, которую определяет сила взаимодействия «антиген – антитело», поэтому условия должны быть подобраны индивидуально для каждой пары «антиген – антитело». В обзоре подробно рассмотрены три основных подхода к регенерации пьезоэлектрических преобразователей: с использованием химического метода, кислородно-плазменного метода, при помощи раствора «пираньи».

1. Lim H. J., Saha T., Tey B. T., Tan W. S., Ooi C. W. Quartz crystal microbalance-based biosensors as rapid diagnostic devices for infectious diseases. Biosensors & bioelectronics. 2020;168:112513. DOI: 10.1016/j.bios.2020.112513.

2. Azam T., Bukhari S. H., Liaqat U., Miran W. Emerging Methods in Biosensing of Immunoglobin G-A Review. Sensors (Basel). 2023;23(2):676. DOI: 10.3390/s23020676.

3. Zida S. I., Lin Y. D., Khung Y. L. Current trends on surface acoustic wave biosensors. Advanced Materials Technologies. 2021;6(6):2001018. DOI: 10.1002/admt.202001018.

4. Kuchmenko T. A., Lvova L. B. A perspective on recent advances in piezoelectric chemical sensors for environmental monitoring and foodstuffs analysis. Chemosensors. 2019;7(3):39. DOI: 10.3390/chemosensors7030039.

5. Alanazi N., Almutairi M., Alodhayb A. N. A Review of Quartz Crystal Microbalance for Chemical and Biological Sensing Applications. Sensing and Imaging. 2023;24(1):10. DOI: 10.1007/s11220-023-00413-w.

6. Na Songkhla S., Nakamoto T. Overview of quartz crystal microbalance behavior analysis and measurement. Chemosensors. 2021;9(12):350. DOI: 10.3390/chemosensors9120350.

7. Pohanka M. Overview of Piezoelectric Biosensors, Immunosensors and DNA Sensors and Their Applications. Materials (Basel). 2018;11(3):448. DOI: 10.3390/ma11030448.

8. Gao S., Guisán J. M., Rocha-Martin J. Oriented immobilization of antibodies onto sensing platforms – A critical review. Analytica chimica acta. 2022;1189: 338907. DOI: 10.1016/j.aca.2021.338907.

9. Hampitak P., Jowitt T. A., Melendrez D., Fresquet M., Hamilton P., Iliut M., Nie K., Spencer B., Lennon R., Vijayaraghavan A. A Point-of-Care Immunosensor Based on a Quartz Crystal Microbalance with Graphene Biointerface for Antibody Assay. ACS Sensors. 2020;5(11):3520–3532. DOI: 10.1021/acssensors.0c01641.

10. Saffari Z., Ghavidel A., Ahangari-Cohan R., Hamidi-Fard M., Khoobi M., Aghasadeghi M., Norouzian D. Label-Free Real-Time Detection of HBsAg Using a QCM Immunosensor. Clinical Laboratory. 2022;68(4). DOI: 10.7754/Clin.Lab.2021.210537.

11. Akgönüllü S., Özgür E., Denizli A. Recent Advances in Quartz Crystal Microbalance Biosensors Based on the Molecular Imprinting Technique for Disease-Related Biomarkers. Chemosensors. 2022;10(3):106. DOI: 10.3390/chemosensors10030106.

12. Kwak J., Lee S. S. Highly sensitive piezoelectric immunosensors employing signal amplification with gold nanoparticles. Nanotechnology. 2019;30(44):445502. DOI: 10.1088/1361-6528/ab36c9.

13. Li W., Li J., Wu Y., Zhou T. A. A Novel Method in Identifying Pyroptosis and Apoptosis Based on the Double Resonator Piezoelectric Cytometry Technology. Biosensors. 2023;13(3):356. DOI: 10.3390/bios13030356.

14. Kırali K., Brimo N., Serdaroğlu D. Ç. Antibody Immobilization Techniques in Mass Sensitive Immunosensor: Enhanced Sensitivity through Limited Mass Load. Current Analytical Chemistry. 2022;18(5):529–545. DOI: 10.2174/1573411016999201120090551.

15. Singh M., Kaur N., Comini E. The role of self-assembled monolayers in electronic devices. Journal of Materials Chemistry C. 2020;8(12):3938–3955. DOI: 10.1039/D0TC00388C.

16. Sharma P., Chauhan R., Pande V., Basu T., Kumar A. Rapid sensing of Tilletia indica–Teliospore in wheat extract by a piezoelectric label free immunosensor. Bioelectrochemistry. 2022;147:108175. DOI: 10.1016/j.bioelechem.2022.108175.

17. Xu Z., Luo Y. Immunoglobulin-Immobilized Quartz Crystal Microbalance for Staphylococcus Aureus Real-Time Detection. IEEE Sensors Journal. 2022;22(12):11594–11601. DOI: 10.1109/JSEN.2022.3174161.

18. Akgönüllü S., Özgür E., Denizli A. Quartz crystal microbalance-based aptasensors for medical diagnosis. Micromachines. 2022;13(9):1441. DOI: 10.3390/mi13091441.

19. Zhang L., Shalabny A., Su C., Cui X., Sweedan A., Zhang K., Harilal S., Sadhujan S., Bashouti M. Y. Dynamic molecular tunnel junctions based on self-assembled monolayers for high tunneling current triboelectricity generation. Journal of Materials Chemistry A. 2023;11(10):4946–4956. DOI: 10.1039/D2TA10048G.

20. Zhang J., Zhang X., Wei X., Xue Y., Wan H., Wang P. Recent advances in acoustic wave biosensors for the detection of disease-related biomarkers: A review. Analytica chimica acta. 2021;1164:338321. DOI: 10.1016/j.aca.2021.338321.

21. Nair M. P., Teo A.J. T., Li K. H. H. Acoustic Biosensors and Microfluidic Devices in the Decennium: Principles and Applications. Micromachines. 2021;13(1):24. DOI: 10.3390/mi13010024.

22. Naresh V., Lee N. A Review on Biosensors and Recent Development of Nanostructured Materials-Enabled Biosensors. Sensors (Basel). 2021;21(4):1109. DOI: 10.3390/s21041109.

23. Zhao C., Li C., Li M., Qian L., Wang L., Li H. Surface acoustic wave immunosensor based on Au-nanoparticles-decorated graphene fluidic channel for CA125 detection. Sensors and Actuators B: Chemical. 2022;367:132063. DOI: 10.1016/j.snb.2022.132063.

24. Rauf S., Qazi H. I. A., Luo J., Fu C., Tao R., Rauf S., Yang L., Li H., Fu Y. Ultrasensitive Leaky Surface Acoustic Wave Immunosensor for Real-Time Detection of Alpha-Fetoprotein in Biological Fluids. Chemosensors. 2021;9(11):311. DOI: 10.3390/chemosensors9110311.

25. Toma K., Arakawa T., Mitsubayashi K. Reusable Surface Acoustic Wave Immunosensor for Enhanced Monitoring of Airborne House Dust Mite Allergens. New York: Jenny Stanford Publishing; 2021. P. 91–102.

26. Jandas P. J., Prabakaran K., Luo J., MG D. H. Effective utilization of quartz crystal microbalance as a tool for biosensing applications. Sensors and Actuators A: Physical. 2021;331:113020. DOI: 10.1016/j.sna.2021.113020.

27. Länge K. Bulk and Surface Acoustic Wave Biosensors for Milk Analysis. Biosensors. 2022;12(8):602. DOI: 10.3390/bios12080602.

28. Kırali K., Brimo N., Serdaroğlu D. Ç. Antibody Immobilization Techniques in Mass Sensitive Immunosensor: Enhanced Sensitivity through Limited Mass Load. Current Analytical Chemistry. 2022;18(5):529–545.

29. Xu H., Gao M., Tang X., Zhang W., Luo D., Chen M. Micro/Nano Technology for Next-Generation Diagnostics. Small Methods. 2020;4(4):1900506. DOI :10.1002/smtd.201900506.

30. Guliy O. I., Zaitsev B. D., Smirnov A. V., Karavaeva O. A., Borodina I. A. Prospects of acoustic sensor systems for antibiotic detection. Biosensors and Bioelectronics: X. 2022;12:100274. DOI: 10.1016/j.biosx.2022.100274.

31. Brimo N., Serdaroğlu D. Ç. Molecular Imprinted Polymers for Mass Sensitive Sensors: Comparation of Performance Toward Immuno-Sensing Strategies. Molecular Imprinting for Nanosensors and Other Sensing Applications. 2021;335–365. DOI: 10.1016/B978-0-12-822117-4.00013-7.

32. Rizzato S., Leo A., Monteduro A. G., Chiriacò M. S., Primiceri E., Sirsi F., Milone A., Maruccio G. Advances in the Development of Innovative Sensor Platforms for Field Analysis. Micromachines. 2020;11(5):491. DOI: 10.3390/mi11050491.

33. Liang S., Sutham P., Wu K., Mallikarjunan K., Wang J. P. Giant Magnetoresistance Biosensors for Food Safety Applications. Sensors (Basel). 2022;22(15):5663. DOI: 10.3390/s22155663.

34. Li Z., Zhang J., Huang Y., Zhai J., Liao G., Wang Z., Ning C. Development of electroactive materials-based immunosensor towards early-stage cancer detection. Coordination Chemistry Reviews. 2022;471:214723. DOI: 10.1016/j.ccr.2022.214723.

35. Srivastava A. K, Dwivedi N., Dhand C., Khan R., Sathish N., Gupta M. K., Kumar R., Kumar S. Potential of graphene-based materials to combat COVID-19: properties, perspectives, and prospects. Materials today. 2020;18:100385. DOI: 10.1016/j.mtchem.2020.100385.

36. Khan N. I., Song E. Lab-on-a-Chip Systems for Aptamer-Based Biosensing. Micromachines. 2020;11(2):220. DOI: 10.3390/mi11020220.

37. Farré M., Barceló D. Microfluidic devices: biosensors. Chemical analysis of food. 2020;287–351. DOI: 10.1016/B978-0-12-813266-1.00006-1.

38. Lakard B. Electrochemical biosensors based on conducting polymers: A review. Applied Sciences. 2020;10(18):6614. DOI: 10.3390/app10186614.

39. Shaukat H., Ali A., Bibi S., Altabey W. A., Noori M., Kouritem S. A. A Review of the Recent Advances in Piezoelectric Materials, Energy Harvester Structures, and Their Applications in Analytical Chemistry. Applied Sciences. 2023;13(3):1300. DOI: 10.3390/app13031300.

40. Naal Z., Naal R. M. Z. G. Quartz Crystal Microbalance in Bioanalysis. In: Tools and Trends in Bioanalytical Chemistry. New York: Springer; 2021. P. 313–330. DOI: 10.1007/978-3-030-82381-8_17.

41. Wei Z., Rolle M. W., Camesano T. A. LL37 and collagen-binding domain-mediated LL37 binding with type I collagen: Quantification via QCM-D. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2022;220:112852. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2022.112852.

42. Bonyadi F., Kavruk M., Ucak S., Cetin B., Bayramoglu G., Dursun A. D., Arica Y., Ozalp V. C. Real-Time Biosensing Bacteria and Virus with Quartz Crystal Microbalance: Recent Advances, Opportunities, and Challenges. Critical reviews in analytical chemistry. 2023;1–12. DOI: 10.1080/10408347.2023.2211164.

43. Jandas P. J., Prabakaran K., Luo J., MG D. H. Effective utilization of quartz crystal microbalance as a tool for biosensing applications. Sensors and Actuators A: Physical. 2021;331:113020. DOI: 10.1016/j.sna.2021.113020.

44. Andryukov B. G., Besednova N. N., Romashko R. V., Zaporozhets T. S., Efimov T. A. Label-free biosensors for laboratory-based diagnostics of infections: Current achievements and new trends. Biosensors. 2020;10(2):11. DOI: 10.3390/bios10020011.

45. Ермолаева Т. Н., Калмыкова Е. Н., Шашканова О. Ю. Пьезокварцевые биосенсоры для анализа объектов окружающей среды, пищевых продуктов и для клинической диагностики. Российский химический журнал. 2008;LII(2):17–29.

46. Wasilewski T., Szulczyński B., Dobrzyniewski D., Jakubaszek W., Gębicki J., Kamysz W. Development and Assessment of Regeneration Methods for Peptide-Based QCM Biosensors in VOCs Analysis Applications. Biosensors. 2022;12(5):309. DOI: 10.3390/bios12050309.

47. Dubiel A E., Fülöp T., Vigier S., Vermette P. Quartz crystal microbalance as an assay to detect anti-drug antibodies for the immunogenicity assessment of therapeutic biologics. Analytical and biological chemistry. 2017;409(30):7153–7167. DOI: 10.1007/s00216-017-0674-2.

48. Гаврилов В. А., Тихонов И. В., Смирнова Е. А., Заболоцкая Т. В. Технология изготовления и применения современных методов иммунодиагностики. М.: МГАВМиБ им. К. И. Скрябина; 2013. 42 с.

49. Pirinçci S., Ertekin Ö., Laguna D., Özen F., Öztürk Z., Öztürk S. Label-Free QCM Immunosensor for the Detection of Ochratoxin A. Sensors (Basel). 2018;18(4):1161. DOI: 10.3390/s18041161.

50. Goode J. A., Rushworth J. V. H., Millner P. A. Biosensor Regeneration: A Review of Common Techniques and Outcomes. Langmuir. 2015;31(23):6267–6276. DOI: 10.1021/la503533g.

51. Jin Y., Huang Y., Liu G., Zhao R. Gold nanoparticle-sensitized quartz crystal microbalance sensor for rapid and highly selective determination of Cu(II) ions. The Analyst. 2013;138(18):5479–5485. DOI: 10.1039/c3an00948c.

52. Bereli N., Çimen D., Hüseynli S., Denizli A. Detection of amoxicillin residues in egg extract with a molecularly imprinted polymer on gold microchip using surface plasmon resonance and quartz crystal microbalance methods. Journal of food science. 2020;85(12):4152–4160. DOI: 10.1111/1750-3841.15529.

53. Pei Y., McEleney K., Payne S. J., She Z. Incorporating quartz crystal microbalance with chronoamperometry to enhance manganese detection stability in drinking water. Electrochimica Acta. 2023;447:142156. DOI: 10.1016/j.electacta.2023.142156.

54. Saffari Z., Sepahi M., Ahangari-Cohan R., Khoobi M., Hamidi-Fard M., Ghavidel A., Aghasadeghi M. R., Norouzian D. A quartz crystal microbalance biosensor based on polyethylenimine-modified gold electrode to detect hepatitis B biomarker. Analytical Biochemistry. 2023;661:114981. DOI: 10.1016/j.ab.2022.114981.

55. Wang L., Wu C., Hu Z., Zhang Y., Li R., Wang P. Sensing Escherichia coli O157:H7 via frequency shift through a self-assembled monolayer based QCM immunosensor. Journal of Zhejiang University – Science B. 2008;9:121–131. DOI: 10.1631/jzus.B0710307.

56. Salmain M., Ghasemi M., Boujday S., Pradier C.-M. Elaboration of a reusable immunosensor for the detection of staphylococcal enterotoxin A (SEA) in milk with a quartz crystal microbalance. Sensors and Actuators B: Chemical. 2012;173:148–156. DOI: 10.1016/j.snb.2012.06.052.

57. Hong S., Jeong H., Hong S. QCM DNA biosensor for the diagnosis of a fish pathogenic virus VHSV. Talanta. 2010;82;899–903. DOI: 10.1016/j.talanta.2010.04.065.

58. Park I.-S., Kim W.-Y., Kim N. Operational characteristics of an antibody-immobilized QCM system detecting Salmonella spp. Biosensors and Bioelectronics. 2000;15:167–172. DOI: 10.1016/s0956-5663(00)00053-1.

59. Li F., Dong Y., Zhang Z., Lv M., Wang Z., Ruan X., Yang D. A recyclable biointerface based on cross-linked branched DNA nanostructures for ultrasensitive nucleic acid detection. Biosensors and Bioelectronics. 2018;117:562–566. DOI: 10.1016/j.bios.2018.06.053.

60. Yao С., Qi Y., Zhao Y., Xiang Y., Chen Q., Fu W. Aptamer-based piezoelectric quartz crystal microbalance biosensor array for the quantification of IgE. Biosensors and Bioelectronics. 2009;24(8):2499–2503. DOI: 10.1016/j.bios.2008.12.036.

61. Lino C., Barrias S., Chaves R., Adega F., Fernandes J., Martins-Lopes P. Development of a QCM-based biosensor for the detection of non-small cell lung cancer biomarkers in liquid biopsies. Talanta. 2023;260:124624. DOI: 10.1016/j.talanta.2023.124624.

62. Naberezhnykh G. A., Gorbach V. I., Kalmykova E. N., Solov’eva T. F. Determination of the parameters of binding between lipopolysaccharide and chitosan and its N-acetylated derivative using a gravimetric piezoquartz biosensor. Biophysical Chemistry. 2015;198:9–13. DOI: 10.1016/j.bpc.2015.01.003.

63. Wang D., Chen G., Wang H., Tang W., Pan W., Li N., Liu F. A reusable quartz crystal microbalance biosensor for highly specific detection of single-base DNA mutation. Biosensors and Bioelectronics. 2013;48:276–280. DOI: 10.1016/j.bios.2013.04.035.

64. Karaseva N., Ermolaeva T. A regenerable piezoelectric immunosensor on the basisof electropolymerized polypyrrole for highly selective detectionof Staphylococcal Enterotoxin A in foodstuffs. Microchimica Acta. 2015;182:1329–1335. DOI: 10.1007/s00604-015-1456-1.

65. Васильев С. В., Попова М. В., Фарафонова О. В., Карасева Н. А., Ермолаева Т. Н. Формирование рецепторного слоя пьезокварцевого иммуносенсора для определения следовых концентраций рактопамина. Современные проблемы науки и образования. 2014;1.

66. Ye J., Zhang Y., Meng J. Protein–Ligand interactions for hydrophobic charge-induction chromatography: A QCM-D study. Applied Surface Science. 2022;572:151420. DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.151420.

67. Калмыкова Е. Н., Гарбузова А. В., Ермолаева Т. Н., Зубова Н. Ю. Применение сульфатированных полисахаридов для активации электродов пьезокварцевого иммуносенсора. Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2007;1:43–48.

68. Cervera-Chiner L., Juan-Borrás M., March C., Arnau A., Escriche I., Montoya A., Jiménez Y. High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance (HFF-QCM) immunosensor for pesticide detection in honey. Food Control. 2018;92:1–6. DOI: 10.1016/j.foodcont.2018.04.026.

69. Bhalla V., Carrara S., Stagni C., Samorì B. Chip cleaning and regeneration for electrochemical sensor arrays. Thin Solid Films. 2010;518(12):3360–3366. DOI: 10.1016/j.tsf.2009.10.022.

70. Han J., Zhang J., Xia Y., Li S., Jiang L. An immunoassay in which magnetic beads act both as collectors and sensitive amplifiers for detecting antigens in a microfluidic chip (MFC)–quartz crystal microbalance (QCM) system. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2011;1–3:2–9. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2010.11.066.