ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2023. №11
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.27
УДК: 535.324.2, 681.785.22, 53.082.5
Рефрактометрический детектор белков плазмы крови
на основе наклонной волоконной брэгговской решетки
с функциональным покрытием из антител
Долженко Е.И., Томышев К.А., Бутов О.В.
ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН
125009, г. Москва, ул. Моховая, 11, стр.7
Статья поступила в редакцию 28 ноября 2023 г.
Аннотация. В статье демонстрируются результаты разработки селективного волоконно-оптического биосенсора на основе наклонной волоконной брэгговской решетки. В основе работы сенсора лежит изменения спектра пропускания наклонной решетки, который трансформируется под влиянием изменений в составе внешней среды. В результате взаимодействия решетки с оптическим сигналом, распространяющимся по световоду, возникает дискретный набор мод оболочки, формирующих эванесцентное поле сенсора, напрямую взаимодействующее с внешней средой. Потенциально высокая чувствительность к показателю преломления окружающей среды позволяет применять подобные структуры в роли высокоточных датчиков концентрации растворов, однако для прикладных применений в области биомедицины критически важна избирательная чувствительность, позволяющая однозначно детектировать наличие отдельных целевых компонентов многокомпонентного состава. Для обеспечения избирательной чувствительности представленных в работе сенсоров в их конструкции были применены функциональные покрытия из антител к двум видам белковым молекулам, входящим в состав крови человека. В работе описана методика создания экспериментальных образцов биосенсоров, которая включает запись наклонных волоконных брэгговских решеток и нанесение на поверхность световода функциональных покрытий на основе антител. Представлены экспериментальные результаты, выявляющие проблемы при детектировании c помощью одного сенсора. В качестве решения в работе предложена дифференциальная схема измерений с участием двух сенсоров, специфичных к двум различным белкам. По результатам проведенных исследований экспериментальных образцов на примере целевых белков фибриногена и D-димера наглядно демонстрируется селективная чувствительность сенсоров к исследуемым белкам в концентрациях до 0,1 мг/мл, достичь которой оказалось возможным благодаря применению дифференциальной схемы измерений.
Ключевые слова: волоконная сенсорика; биосенсорика; наклонные волоконные брэгговские решетки; функциональные покрытия.
Финансирование: Работа была выполнена в рамках государственного задания ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН.
Автор для переписки: Долженко Егор Игоревич, dolzhenko@phystech.edu
Литература
1. Nechaeva N. L., Sorokina O. N., Konstantinova T. S., Vasilyeva A. D., Yurina L. V., Byzova N. A., Bugrova A. E., Yanovich S. V., Eremenko A. V., Kurochkin I. N. Simultaneous express immunoassay of multiple cardiac biomarkers with an automatic platform in human plasma // Talanta. ‒ 2021. ‒ T. 224. ‒ C. 121860. (https://doi.org/10.1016/j.talanta.2020.121860)
2. Nechaeva N., Sorokina O., Konstantinova T., Vasil’eva A., Yurina L., Byzova N., Bugrova A., Podoinitsyn S., Eremenko A., Kurochkin I. Rapid Automatic Determination of Four Cardiomarkers in the Blood Plasma of Patients with Cardiopathologies // Journal of Analytical Chemistry. ‒ 2022. ‒ T. 77, № 5. ‒ C. 531-536. (https://doi.org/10.1134/S1061934822050094)
3. Fiber optic sensors. / Yin S., Ruffin P. B., Francis T.: CRC press, 2017.
4. Ascorbe J., Corres J. M., Arregui F. J., Matias I. R. Recent developments in fiber optics humidity sensors // Sensors. ‒ 2017. ‒ T. 17, № 4. ‒ C. 893. (https://doi.org/10.3390/s17040893)
5. Bai H., Li S., Barreiros J., Tu Y., Pollock C. R., Shepherd R. F. Stretchable distributed fiber-optic sensors // Science. ‒ 2020. ‒ T. 370, № 6518. ‒ C. 848-852. (https://doi.org/10.1126/science.aba5504)
6. Caucheteur C., Guo T., Albert J. Review of plasmonic fiber optic biochemical sensors: improving the limit of detection // Analytical and bioanalytical chemistry. ‒ 2015. ‒ T. 407, № 14. ‒ C. 3883-3897. (https://doi.org/10.1007/s00216-014-8411-6)
7. Fiber optic sensors: fundamentals and applications. / Krohn D. A., MacDougall T., Mendez A.: Spie Press Bellingham, WA, 2014. (http://dx.doi.org/10.1117/3.100291)
8. Stepanov K. V., Zhirnov A. A., Chernutsky A. O., Koshelev K. I., Pnev A. B., Lopunov A. I., Butov O. V. The sensitivity improvement characterization of distributed strain sensors due to weak fiber Bragg gratings // Sensors. ‒ 2020. ‒ T. 20, № 22. ‒ C. 6431. (https://doi.org/10.3390/s20226431)
9. Butov O. V., Bazakutsa A. P., Chamorovskiy Y. K., Fedorov A. N., Shevtsov I. A. All-fiber highly sensitive Bragg grating bend sensor // Sensors. ‒ 2019. ‒ T. 19, № 19. ‒ C. 4228. (https://doi.org/10.3390/s19194228)
10. Bado M. F., Casas J. R. A review of recent distributed optical fiber sensors applications for civil engineering structural health monitoring // Sensors. ‒ 2021. ‒ T. 21, № 5. ‒ C. 1818. (https://doi.org/10.3390/s21051818)
11. Manuylovich E., Tomyshev K., Butov O. V. Method for Determining the Plasmon Resonance Wavelength in Fiber Sensors Based on Tilted Fiber Bragg Gratings // Sensors. ‒ 2019. ‒ T. 19, № 19. ‒ C. 4245. (https://doi.org/10.3390/s19194245)
12. Zhou K., Chen X., Zhang L., Bennion I. High-sensitivity optical chemsensor based on etched D-fibre Bragg gratings // Electronics Letters. ‒ 2004. ‒ T. 40, № 4. ‒ C. 1. (https://doi.org/10.1049/el:20040177)
13. Lee S.-M., Saini S. S., Jeong M.-Y. Simultaneous measurement of refractive index, temperature, and strain using etched-core fiber Bragg grating sensors // IEEE Photonics Technology Letters. ‒ 2010. ‒ T. 22, № 19. ‒ C. 1431-1433. (https://doi.org/10.1109/LPT.2010.2057416)
14. Ishaq I. M., Quintela A., James S. W., Ashwell G. J., Lopez-Higuera J. M., Tatam R. P. Modification of the refractive index response of long period gratings using thin film overlays // Sensors and Actuators B: Chemical. ‒ 2005. ‒ T. 107, № 2. ‒ C. 738-741. (https://doi.org/10.1016/j.snb.2004.12.004)
15. Albert J., Shao L. Y., Caucheteur C. Tilted fiber Bragg grating sensors // Laser & Photonics Reviews. ‒ 2013. ‒ T. 7, № 1. ‒ C. 83-108. (https://doi.org/10.1002/lpor.201100039)
16. Voisin V., Pilate J., Damman P., Mégret P., Caucheteur C. Highly sensitive detection of molecular interactions with plasmonic optical fiber grating sensors // Biosensors and Bioelectronics. ‒ 2014. ‒ T. 51. ‒ C. 249-254. (https://doi.org/10.1016/j.bios.2013.07.030)
17. Fiber bragg gratings. / Kashyap R.: Academic press, 2009.
18. Vasil'ev S. A., Medvedkov O. I., Korolev I. G. e., Bozhkov A. S., Kurkov A. S., Dianov E. M. Fibre gratings and their applications // Quantum electronics. ‒ 2005. ‒ T. 35, № 12. ‒ C. 1085. (https://doi.org/10.1070/QE2005v035n12ABEH013041)
19. Hill K. O., Meltz G. Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview // Journal of lightwave technology. ‒ 1997. ‒ T. 15, № 8. ‒ C. 1263-1276. (https://doi.org/10.1109/50.618320)
20. Butov O. V., Tomyshev K., Nechepurenko I., Dorofeenko A. V., Nikitov S. A. Tilted fiber Bragg gratings and their sensing applications // Physics–Uspekhi. ‒ 2021. ‒ T. 2022, № 65. (https://doi.org/10.3367/UFNe.2021.09.039070)
21. Guo T., Liu F., Guan B.-O., Albert J. Tilted fiber grating mechanical and biochemical sensors // Optics & Laser Technology. ‒ 2016. ‒ T. 78. ‒ C. 19-33. (https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.10.007)
22. Tomyshev K., Manuilovich E., Tazhetdinova D., Dolzhenko E., Butov O. V. High-precision data analysis for TFBG-assisted refractometer // Sensors and Actuators A: Physical. ‒ 2020. ‒ T. 308. ‒ C. 112016. (https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112016)
23. Tomyshev K. A., Tazhetdinova D. K., Butov O. V. High-resolution fiber plasmon sensor // 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium-Spring (PIERS) ‒IEEE, 2017. ‒ C. 53-56. (https://doi.org/10.1109/PIERS.2017.8261705)
24. Feng D., Zhou W., Qiao X., Albert J. High resolution fiber optic surface plasmon resonance sensors with single-sided gold coatings // Optics Express. ‒ 2016. ‒ T. 24, № 15. ‒ C. 16456-16464. (https://doi.org/10.1364/OE.24.016456)
25. Chubchev E. D., Tomyshev K. A., Nechepurenko I. A., Dorofeenko A. V., Butov O. V. Machine learning approach to data processing of TFBG-assisted SPR sensors // Journal of Lightwave Technology. ‒ 2022. ‒ T. 40, № 9. ‒ C. 3046-3054.
26. Lin H.-Y., Tsao Y.-C., Tsai W.-H., Yang Y.-W., Yan T.-R., Sheu B.-C. Development and application of side-polished fiber immunosensor based on surface plasmon resonance for the detection of Legionella pneumophila with halogens light and 850 nm-LED // Sensors and actuators A: Physical. ‒ 2007. ‒ T. 138, № 2. ‒ C. 299-305. (https://doi.org/10.1016/j.sna.2007.05.015)
27. Marquez-Cruz V., Albert J. High resolution NIR TFBG-assisted biochemical sensors // Journal of Lightwave Technology. ‒ 2015. ‒ T. 33, № 16. ‒ C. 3363-3373. (https://doi.org/10.1109/JLT.2015.2431912)
28. Cao Y., Zhang J., Yang Y., Huang Z., Long N. V., Fu C. Engineering of SERS substrates based on noble metal nanomaterials for chemical and biomedical applications // Applied Spectroscopy Reviews. ‒ 2015. ‒ T. 50, № 6. ‒ C. 499-525. (https://doi.org/10.1080/05704928.2014.923901)
29. Ribaut C., Voisin V., Malachovská V., Dubois V., Mégret P., Wattiez R., Caucheteur C. Small biomolecule immunosensing with plasmonic optical fiber grating sensor // Biosensors and Bioelectronics. ‒ 2016. ‒ T. 77. ‒ C. 315-322. (https://doi.org/10.1016/j.bios.2015.09.019)
30. Riboh J. C., Haes A. J., McFarland A. D., Ranjit Yonzon C., Van Duyne R. P. A nanoscale optical biosensor: real-time immunoassay in physiological buffer enabled by improved nanoparticle adhesion // The Journal of Physical Chemistry B. ‒ 2003. ‒ T. 107, № 8. ‒ C. 1772-1780. (https://doi.org/10.1021/jp022130v)
31. Rich R. L., Myszka D. G. Survey of the 2009 commercial optical biosensor literature // Journal of Molecular Recognition. ‒ 2011. ‒ T. 24, № 6. ‒ C. 892-914. (https://doi.org/10.1002/jmr.1138)
32. Ricciardi A., Crescitelli A., Vaiano P., Quero G., Consales M., Pisco M., Esposito E., Cusano A. Lab-on-fiber technology: a new vision for chemical and biological sensing // Analyst. ‒ 2015. ‒ T. 140, № 24. ‒ C. 8068-8079. (https://doi.org/10.1039/C5AN01241D)
33. Lobry M., Fasseaux H., Loyez M., Chah K., Goormaghtigh E., Wattiez R., Chiavaioli F., Caucheteur C. Plasmonic fiber grating biosensors demodulated through spectral envelopes intersection // Journal of Lightwave Technology. ‒ 2021. ‒ T. 39, № 22. ‒ C. 7288-7295. (http://dx.doi.org/10.1109/JLT.2021.3112854)
34. Ortega-Gomez A., Loyez M., Lobry M., Chah K., Zubia J., Villatoro J., Caucheteur C. Plasmonic sensors based on tilted Bragg gratings in multicore optical fibers // Optics express. ‒ 2021. ‒ T. 29, № 12. ‒ C. 18469-18480. (https://doi.org/10.1364/OE.430181)
35. Armbruster D. A., Tillman M. D., Hubbs L. M. Limit of detection (LQD)/limit of quantitation (LOQ): comparison of the empirical and the statistical methods exemplified with GC-MS assays of abused drugs // Clinical chemistry. ‒ 1994. ‒ T. 40, № 7. ‒ C. 1233-1238. ( https://doi.org/10.1093/clinchem/40.7.1233)
36. Shrivastava A., Gupta V. B. Methods for the determination of limit of detection and limit of quantitation of the analytical methods // Chron. Young Sci. ‒ 2011. ‒ T. 2, № 1. ‒ C. 21-25. (https://doi.org/10.4103/2229-5186.79345)
Для цитирования:
Долженко Е.И., Томышев К.А., Бутов О.В. Рефрактометрический детектор белков плазмы крови на основе наклонной волоконной брэгговской решетки с функциональным покрытием из антител // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.27