Рефрактометрические
Оптические преобразователи
Оптические биопреобразователи.Optical biotransducers, used in optical biosensors for signal transduction, use photons in order to collect information about analyte. These are highly sensitive, highly specific, small in size and cost effective. The detection mechanism of optical biotransducer depends upon the enzyme system that converts analyte into products which are either oxidized or reduced at the working electrode. Evanescent field detection principle is most commonly used in an optical biosensor system as the transduction principle. This principle is one of the most sensitive detection methods. It enables the detection of fluorophores exclusively in the close proximity of the optical fiber.
Рефрактометры – приборы для измерения показателя преломления (ПП) среды. Методы измерения, применяемые в БСС, получили общее название ИП нарушения полного внутреннего отражения (НПВО). Этот эффект возникает как в оптических волокнах, так и в призмах при падении света под углом.
(1a) Волоконно-оптические ИП. Основаны на нарушении прохождения светового потока через оптическое волокно, изогнутое в форме петли. Эффект НПВО возникает, когда ПП среды nс, окружающей стеклянное волокно, будет больше ПП этого волокна nв.
Уменьшение потока DФ за счет НПВО, обусловленного выходом части излучения в оболочку:
DФ= k (nс – nв),
где k – коэффициент пропорциональности.
Данный ИП может применяться в БСС для оценки метаболизма с БХП на основе ферментов, если ПП субстрата меньше ПП стекла, а ПП продукта, образованного в результате ферментативной реакции, всего на 10–7 больше ПП стекла.
НПВО происходит, когда среда непосредственно контактирует с материалом оптической нити. Поэтому эффект НПВО возникает также при осаждении на волоконную нить слоя биомолекул (рис.), что позволяет контролировать реакции образования биологических комплексов.
| Рис. Биосенсор на основе оптического волокна |
Волоконно-оптические ИК ИП.Полезным эффектом НПВО, связанным с применением волоконной оптики в БСС, является выход излучения из световода в среду, поглощающую инфракрасное излучение.
(1б) Поверхностный плазмонный резонанс.ЭффектНПВО в треугольной призме при падении инфракрасного излучения на ее основание проявляется, если оно покрыто тонкой пленкой металла или полупроводника, на которой возникают плазмоны – квантовые колебания поверхностных зарядов.
Их влияние приводит к тому, что интенсивность отраженного излучения спектра при определенном угле падения резко падает. Значение данного угла зависит от ПП приповерхностного слоя. Положение минимума отраженного потока смещается даже при изменении ПП слоя всего на 10–10.
Эти сверхмалые изменения отражают, например, образование комплекса антиген-антитело или трансформацию комплексов биомолекул на поверхности тонкой пленки золота. Подобный метод (surface plasmon resonance) был разработан в 1970-е гг. Лидбергом для выявления способности биологических организмов к образованию комплексов.
На основе этого метода для иммуноанализа шведской фирмой Pharmacia Biosensor AB создана БСС «BIACORE», а фирмой Аffinity Sensor для аналогичных целей – БСС «IASys» с БХП на основе реакции антиген–антитело.
Это фотометрические БСС либо с проточной подачей антител (BIACORE), либо с нанесенными антителами на стенку стандартной кюветы (IASys). В них предусмотрена система подготовки поверхностей пластинок для иммобилизации антител, антигенов, микроорганизмов и клеток. В БСС входят системы перемешивания сред и термостатирования кювет и проточных ячеек.
Many optical biosensors are based on the phenomenon of surface plasmon resonance (SPR) techniques. This utilises a property of and other materials; specifically that a thin layer of gold on a high refractive index glass surface can absorb laser light, producing electron waves (surface plasmons) on the gold surface. This occurs only at a specific angle and wavelength of incident light and is highly dependent on the surface of the gold, such that binding of a target analyte to a receptor on the gold surface produces a measurable signal.
Plasmon. In physics, a plasmon is a quantum of plasma oscillation. The plasmon is a quasiparticle resulting from the quantization of plasma oscillations just as photons and phonons are quantizations of electromagnetic and mechanical vibrations, respectively (although the photon is an elementary particle, not a quasiparticle). Thus, plasmons are collective oscillations of the free electron gas density, for example, at optical frequencies. Plasmons can couple with a photon to create another quasiparticle called a plasma polariton.
Surface plasmon resonance (SPR) is the collective oscillation of valence electrons in a solid stimulated by incident light. The resonance condition is established when the frequency of light photons matches the natural frequency of surface electrons oscillating against the restoring force of positive nuclei. SPR in nanometer-sized structures is called localized surface plasmon resonance.
Рис. Возбуждение излучательных плазмонов методом НПВО в призме Кречмана: - угол падения света; n1, n2, 3 - показатели преломления призмы, слоя металла и исследуемого образца соответственно,
где L – длина световода, aв – коэффициент поглощения волокна, aИК с – коэффициент поглощения среды в ИК области излучения. Через волокно подается излучение различных длин волн ИК-спектра. Учитывая, что многие микроорганизмы обладают специфичными ИК-спектрами, волоконная ИК-спектроскопия может использоваться для выявления изменений свойств биологических объектов.
Рис. Схема образования комплексов биомолекул в измерителях поверхностного плазмонного резонанса
Surface plasmon resonance sensors operate using a sensor chip consisting of a plastic cassette supporting a glass plate, one side of which is coated with a microscopic layer of gold. This side contacts the optical detection apparatus of the instrument. The opposite side is then contacted with a microfluidic flow system. The contact with the flow system creates channels across which reagents can be passed in solution. This side of the glass sensor chip can be modified in a number of ways, to allow easy attachment of molecules of interest. Normally it is coated in carboxymethyl dextran or similar compound.
Light of a fixed wavelength is reflected off the gold side of the chip at the angle of total internal reflection, and detected inside the instrument. The angle of incident light is varied in order to match he evanescent wave propagation rate with the propagation rate of the surface plasmon plaritons. This induces the evanescent wave to penetrate through the glass plate and some distance into the liquid flowing over the surface.
The refractive index at the flow side of the chip surface has a direct influence on the behaviour of the light reflected off the gold side. Binding to the flow side of the chip has an effect on the refractive index and in this way biological interactions can be measured to a high degree of sensitivity with some sort of energy. The refractive index of the medium near the surface changes when biomolecules attach to the surface, and the SPR angle varies as a function of this change.