СЕЛЕКТИВНЫЙ БИОСЕНСОР НА ОСНОВЕ НАКЛОННЫХ ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ПОКРЫТИЕМ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВ0-2023- ДАТЧИКИ

СЕЛЕКТИВНЫЙ БИОСЕНСОР НА ОСНОВЕ НАКЛОННЫХ ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК

С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ПОКРЫТИЕМ

*

Долженко Е.И. , Томышев К.А., Бутов О.В.

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Москва * E-mail: dolzhenko@phystech.edu DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-294-295

Доклад посвящён разработке и исследованию волоконных сенсоров, использующих наклонные волоконные брэгговские решётки (НВБР) в качестве чувствительного элемента, для детектирования белков крови человека. НВБР представляет из себя периодическую модуляцию показателя преломления сердцевины волокна, плоскости искусственных дефектов которой расположены под углом к оптической оси волокна. При взаимодействии распространяющегося по волокну излучения с такой структурой возбуждается набор оболочечных мод, что проявляет себя на спектре пропускания в виде серии пиков и провалов. Так как существование оболочечных мод напрямую зависит от их взаимодействия с внешней средой, то НВБР обладает важным для сенсорики свойством -чувствительностью к показателю преломления ближайшего окружения [1,2]. При изменении показателя преломления внешней среды условие полного внутреннего отражения для отдельных оболочечных мод начинает нарушаться, что может наблюдаться на спектре пропускания в виде резкого уменьшения амплитуды соответствующих пиков в коротковолновой области для всех длин волн меньших некоторой, называемой длиной волны отсечки.

Применение сенсоров на основе НВБР в биосенсорике имеет широкие перспективы вследствие ряда преимуществ таких устройств - компактности, высоких чувствительности и разрешения и отсутствия влияния на исследуемую среду. Однако для исследования биологических растворов необходимым требованием также является селективность измерений - способность отличать целевой аналит в сложносоставном растворе от других его компонентов. Для обеспечения селективности в конструкцию устройства было включено многослойное функциональное покрытие, наносимое на поверхность волокна [3]. Ключевым элементом покрытия являются антитела к целевому антигену, химически закреплённые на поверхности сенсора. Схематическое изображение экспериментального образца сенсора представлена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция волоконного биосенсора

Целевыми белками в представленном исследовании были фибриноген и Д-димер. Были созданы два набора экспериментальных образцов сенсоров, каждый из которых был функционализирован антителами только к одному из белков. В ходе работ были проведены исследования растворов целевых белков в солевом фосфатном буфере (PBS). Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2. При проведении измерений в объём раствора (1) одновременно погружались два биосенсора, функционализированные к разным белкам (2), и волокно с прямой волоконной брэгговской решёткой (ВБР) для компенсации влияния температуры (3). Устройства опрашивались оптическим интеррогатором MicronOptics SM125-500 (4), а результаты измерений обрабатывались в автоматическом режиме при помощи алгоритма, описанного в [4].

ВКВО-2023- ДАТЧИКИ

Рис. 2. Схема эксперимента

При обработке результатов был применен дифференциальный подход, использующий разницу между длинами волн отсечки двух биосенсоров в качестве полезного сигнала. Такая методика позволяет исключить влияние сторонних факторов (таких как влияние нецелевых компонентов раствора, механическое и температурное воздействие) и лучше детектировать специфическое связывание. Результаты обработки представлены на рис.3. В качестве сигнала рассматривалась нормированная разность показаний сенсора к Д-димеру и сенсора к фибриногену. В работе продемонстрировано успешное детектирование белков в растворах различных концентраций, выражающееся в однозначном увеличении сигнала в присутствии фибриногена и уменьшении сигнала в присутствии Д-димера. При этом интенсивность изменений коррелирует с концентрациями белков в растворах.

2

и

MfW*

ivy 1 г

' V) О и

to О СП

a. и. в.

1 1 ! 15 20 I 1 as 1 1 1 30 35

Время, мин

щ -0.075 5

О

30 40 Время, мин

Рис. 3. Примеры дифференциальной обработки

В результате в работе было впервые проведено селективное детектирование двух различных белковых молекул парой сенсоров на основе НВБР с функциональными покрытиями из антител. Подобные волоконные сенсоры имеют перспективы для дальнейших исследований и потенциал для применения в медицине, в том числе для измерений in vivo. Работа выполнена в рамках государственного задания.

Литература

1. Бутов О.В., и др., УФН, 192, 1385-1398 (2022)

2. Бутов О.В., Томышев К.А., ВКВО-2019, спецвыпуск Фотон-Экспресс-Наука, 6, 158, 22-23 (2019)

3. Tomyshev, K. et al, Sens. Actuator B Chem. 384, 133618 (2023)

4. Tomyshev K. et al, Sens. Actuator A Phys. 308, 112016 (2020)