ППР-сенсоры Spreeta. Съемные рецепторные чипы. ППР-иммуносенсоры и волоконно-оптические сенсоры

24.4. Волоконно-оптические ППР сенсоры

Интересным видом ППР сенсоров являются волоконно-оптические ППР сенсоры. На рис. 24.13 показан один из вариантов такого сенсора, описанный в [ [ 121 ] ]. На оптическом волокне, которое состоит из сердцевины ("керн") 1 с высоким показателем преломления и оболочки 2 с меньшим показателем преломления, в месте расположения чувствительного узла верхнюю часть оболочки волокна удаляют (механически – шлифованием и полировкой или химически – путем вытравливания). На это место специальным оптическим клеем приклеивают чувствительный ППР чип, который состоит из стеклянной основы 4, тонкой плёнки золота 5 и слоя лиганда 6 ( рис. 24.13 а ). Этот чип во время наблюдений приводится в контакт со средой, в которой могут находиться частички аналита 7.

Рис. 24.13. Один из вариантов волоконно-оптического ППР сенсора

На рис. 24.13, б приведена функциональная схема интеллектуального волоконно-оптического ППР сенсора. Используется источник света 8 с относительно широкой спектральной полосой ( 200 нм), излучение которого модулируется модулятором 9 под управлением микропроцессора МП. Через входное оптическое волокно 10 свет направляется к точке контроля, в которой расположен чувствительный узел 11. Он или непосредственно находится в контролируемой среде, или на него устанавливают миниатюрную проточную ячейку 12, сквозь которую прокачивают контролируемую жидкость или газ. Отраженный от чувствительной поверхности свет через оптическое волокно 13 передается в спектральный узел 14. Под управлением микропроцессора он поочередно пропускает на фотоприемник 15 спектральные компоненты с разной длиной волны. Электрические сигналы от фотоприемника 15 усиливаются и демодулируются в приемном узле 16 и с помощью АЦП превращаются в цифровой код, который передается в микропроцессор и запоминается. Когда спектр сигнала, который прошел через оптическое волокно, полностью снят, микропроцессор обрабатывает его, определяет спектральное положение минимума ППР и запоминает вместе с моментом времени, когда снимался спектр. Через заданные пользователем интервалы времени измерения автоматически повторяются. И на дисплей 17 может быть выведена не только спектральная зависимость оптического сигнала в определенный момент времени, но и сенсограмма – зависимость положения минимума ППР от времени. На этой сенсограмме могут быть зарегистрированы изменение показателя преломления контролируемой среды, появление в ней частиц аналита, кинетика процессов связывания этих частиц с лигандом. Может быть вычислена концентрация аналита и т.п. В сенсоре может быть не одно оптическое волокно, а несколько – с чувствительными узлами, настроенными на разные аналиты, которые могут быть расположены рядом или в разных точках контролируемого объекта. Микропроцессор может организовать наблюдение за каждой точкой и выполнять соответствующую комплексную диагностику.

На примере лиганда из антител к человеческому иммуноглобулину (Ig) была продемонстрирована чувствительность к появлению Ig в контролируемой жидкости на уровне 40 нг/мл и показано, что она может быть повышена до 1 нг/мл. Т.е. чувствительность оказалась не хуже, чем в обычных ППР сенсорах с призмами.

В работе [ [ 121 ] ] показано, что при оптимально подобранных толщине пленки золота и расстоянии d между керном волокна и стеклянной основой рецепторного чипа наблюдается четкий минимум в спектре света, прошедшего через такое оптическое волокно ( рис. 24.14). Положение минимума ППР существенно зависит от показателя преломления среды, с которой контактирует чувствительная поверхность. Чувствительность довольно хорошая – примерно 3100 нм на единицу показателя преломления. Разрешающая способность 5x10^-7 от единицы показателя преломления.

Рис. 24.14.

В работе [ [ 104 ] ] описан, волоконно-оптический ППР сенсор для определения концентрации в свежих фруктах или соках нарингина – вещества, придающего горький привкус цитрусовым. В качестве специфически чувствительного лиганда использован естественный фермент нарингиназа. Чувствительный узел с помощью полой иглы можно вводить вглубь фрукта, или опускать во фруктовый сок либо в измельченную массу. Оперативный текущий контроль концентрации нарингина позволил значительно повысить качество и улучшить вкус изделий из цитрусовых.

В работе [ [ 76 ] ] сообщается об экспериментальном волоконно-оптическом ППР сенсоре, в котором плёнка золота настолько тонка, что имеет "островковый" характер и состоит из отдельных наночастиц. Оптическое волокно работает на отражение, т.е. чувствительный узел делают на очищенном от оболочки кончике волокна или после чувствительного узла торец волокна делают зеркальным, так что свет возвращается назад по тому же волокну, по которому он пришёл. ППР наблюдается в виде минимума на графике зависимости интенсивности отраженного света от длины волны. Положение минимума зависит от показателя преломления среды, находящейся в контакте с чувствительной поверхностью. Например, после осаждения на чувствительную поверхность соответствующих лигандов она становилась избирательно чувствительной к стафилококковому энтеротоксину В, к стрептавидину или к ионам Ni²⁺.

С обзором разработок волоконно-оптических сенсоров можно детальнее ознакомиться в [ [ 78 ] ].

Краткие итоги

Важной тенденцией развития ППР сенсоров стала разработка ППР сенсоров массового применения. Одной из вех на этом пути было создание микроэлектронных ППР сенсоров семейства Spreeta. В монолитный модуль размерами 41,4x29x13,5 мм интегрированы светодиод, поляризатор, зеркально отражающий слой, линейка из 128 фотодетекторов, 128-разрядный регистр сдвига и электрически программируемая память на 4 К. Модуль залит прозрачным компаундом с высоким показателем преломления, который заполимеризован и функционирует в качестве призмы. На одну из её граней нанесена золотая пленка. Модуль рассчитан на то, что к его чувствительной поверхности извне герметически присоединяется проточная ячейка. С помощью таких модулей можно строить разнообразные ППР сенсоры.

Однако технология измерений с применением проточной ячейки, удобная для научных исследований, оказалась не очень пригодной для массовых применений. Значительно более перспективной для этих целей является технология съемных рецепторных чипов, которые устанавливаются на рабочую поверхность ППР сенсора только на время измерения. Для обеспечения хорошего оптического контакта используют иммерсионную жидкость. Такая технология обеспечивает высокую производительность, быстроту и дешевизну анализов. Специфические процессы отмывания, регенерации и предварительного контроля рецепторных чипов могут проводиться в спецлабораториях с применением групповых технологических процессов. Разработаны также способы минимизации вредного влияния запыленности при эксплуатации ППР сенсоров в полевых условиях.

Одним из примеров портативного интеллектуального ППР сенсора для массовых анализов является ППР иммуносенсор для выявления заболевания коров на лейкоз. Для обнаружения в молоке коровы ретровирусов лейкоза применяются рецепторные чипы, на которые нанесены антитела, специфичные к этим вирусам, взятые из сыворотки больных коров. Сенсор рассчитан на применение на фермах и в домашних хозяйствах, в приемных пунктах молока, требует для анализа лишь каплю молока и обеспечивает производительность до 100 анализов/час. При использовании чипов с рецепторным слоем, специфичным, скажем, к туберкулезным палочкам или к вирусам человеческого гепатита, такой же сенсор можно использовать и для экспресс-контроля и на эти заболевания молока коров, питьевой воды, напитков.

Интересным видом ППР сенсоров стали также волоконно-оптические ППР сенсоры. Чувствительный элемент на основе ППР с помощью оптического волокна может быть "вынесен" в них на значительные расстояния. "Зондирующие" импульсы поляризованного света и отраженные от чувствительной поверхности сигналы ППР передаются в этих сенсорах по оптическому волокну. Они позволяют регистрировать изменения показателя преломления контролируемой среды, появление в ней частиц аналита, кинетику процессов связывания этих частиц с лигандом. Сенсор может использовать не одно оптическое волокно, а несколько – с чувствительными узлами, настроенными на разные аналиты. Эти узлы могут быть расположены рядом или в разных точках контролируемого объекта. Микрокомпьютер может организовать наблюдение за каждой точкой и выполнять соответствующую комплексную диагностику, выдавать предупредительные сигналы.