Сенсоры с люминесцентными маркерами. Биолюминесцентные и сцинтилляционные сенсоры

Краткие итоги

Такие важные характеристики, как квантовые выходы фотосинтеза и флуоресценции хлорофилла, можно определять, не проводя темновую адаптацию листьев растений и не снимая кривую ИФХ. В сенсорах для определения квантового выхода фотосинтеза с этой целью измеряют интенсивность переменной флуоресценции хлорофилла, вызываемой слабым "измерительным", модулированным пучком света при постоянном обычном (рабочем) и при "насыщающем" освещении листьев. Как правило, такие сенсоры измеряют также текущую квантовую интенсивность освещения растения и рассчитывают текущую продуктивность фотосинтеза.

В последнем десятилетии ХХ в. начались интенсивные разработки новых видов люминесцентных сенсоров. В одном из них используют т.н. " люминесцентные маркеры " – специально синтезированные макромолекулы, в состав которых входят два важных функциональных звена. Одно из них (т.н. "распознаватель") является выборочно чувствительным к аналиту, а другое (т.н. "сигнализатор") имеет выраженную люминесцентную активность, т.е. ярко светится под действием внешнего света или другого возбуждающего фактора. В качестве распознавателя часто используют молекулы естественных ферментов (энзимов). В составе макромолекулы эти два звена взаимодействуют так, что, когда к распознавателю присоединяется частица контролируемого аналита, то это приводит к гашению или, наоборот, – к стимулированию люминесценции сигнализатора. И сенсор, измеряя интенсивность люминесценции, определяет по ее изменениям наличие и концентрацию аналита.

В биолюминесцентных сенсорах используется собственное свечение некоторых живых клеток, вызываемое возбуждениями в результате происходящих внутри клетки биохимических реакций. Методами генной инженерии такие клетки модифицируют так, чтобы в них совместно функционировали белок-распознаватель, белок-репрессор, белок-промотор, биолюминесцирующий белок и РНК-синтезатор. "Распознаватель" должен быть настроен на интересующий пользователя аналит. "Репрессор", пока нет сигнала от распознавателя, блокирует работу промотора. В качестве биолюминесцирующего чаще всего используют природный белок люциферазу. Уже отработана стандартная процедура создания подобных генно-инженерных конструкций биолюминесцентных клеток-сенсоров. Основой для них обычно служит плазмида бактерии Escherichia coli. Затем созданные "бактерии-сенсоры" культивируют: наращивают в требуемых количествах в специальных питательных средах. В отличие от сенсоров с люминесцентными маркерами излучение биолюминесцентных сенсоров не модулировано, и поэтому его труднее выделять из посторонних световых помех.

Сенсоры, в которых первичные информационные сигналы появляются в виде сцинтилляций, называют " сцинтилляционными сенсорами ". Еще на заре становления атомной и ядерной физики в опытах по рассеянию альфа-частиц на атомах использовались сцинтилляторы. В течение ХХ в. сцинтилляторы были существенно усовершенствованы. Наряду с неорганическими кристаллическими NaI(Tl), ZnS(Ag), LiI(Eu) и др., появились органические (антрацен, нафталин, p-терфенил, стильбен, ...) и синтезированные пластиковые сцинтилляторы. Последним можно придать практически любую геометрическую форму, они обеспечивают короткие времена вспышки ( 1 нс) при яркости сцинтилляций, лишь немногим уступающей неорганическим сцинтилляторам. Простейшие сцинтилляционные счетчики, подсчитывая число импульсов за фиксированный период времени, определяют интенсивность наблюдаемого ионизирующего излучения. Интеллектуальные сцинтилляционные детекторы определяют и выводят на дисплей также энергетический спектр этого излучения, во многих случаях могут идентифицировать по этому спектру природу источника излучения. Их широко применяют не только в физических исследованиях, но и для учета, контроля и охраны, для экологического надзора и противодействия незаконному обороту ядерных материалов и радиоактивных веществ.

Сочетание эффективных сцинтилляторов и чувствительных миниатюрных полупроводниковых фотоприёмников сцинтилляций позволило создать координатно-чувствительные сцинтилляционные детекторы. Такие детекторы, кроме описанных выше возможностей, позволяют реконструировать также треки пролетающих ионизирующих частиц, подсчитывать их пространственное распределение, распределение по направлениям и т.д. С помощью современных интеллектуальных сцинтилляционных детекторов проводятся ныне новейшие эксперименты в области физики высоких энергий, ядерной физике и космологии.