Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
система является замкнутой и не требует регенерации.
32.2. Оптические волокна
Базовая конструкция оптического волокна показана на рис. 32.1. Волокно
состоит из сердцевины и обкладки, изготовленных из таких материалов,
чтобы показатель преломления света у сердцевины был выше. В такой
конструкции свет, входящий в волокно, претерпевает полное внутреннее
отражение на границе раздела между двумя прозрачными материалами и
направляется вдоль волокна. Современные материалы для изготовления
оптических волокон имеют очень высокую степень очистки, так что
ослабление света за счет поглощения или рассеяния относительно мало при
длине волокна порядка нескольких метров. Такие волокна обычно и
используются в большинстве представляющих интерес аналитических систем.
Используя волоконную оптику в биосенсорах, следует иметь в виду, что
существуют два основных механизма взаимодействия света с окружением.
Прежде всего свет исходит из конца сердцевины. Если источником света
служит лазер, то диаметр выходного пучка приблизительно равен диаметру
входящего в волокно лазерного пучка. Такой цилиндрический пучок особенно
важен для описываемых ниже методов
506
Глава 32
Рис. 32.1. Базовая конструкция оптического волокна, иллюстрирующая два
механизма светового обмена: освещение анализируемой жидкости светом,
выходящим в виде конуса из торца волокна либо проходящим в виде
затухающей волны через боковую поверхность лишенной оболочки сердцевины.
На практике используют только один из этих режимов.
разделения. Если же источником света является сфокусированный пучок света
обычной лампы, то свет, покидая сердцевину, расходится в конус освещения,
как показано на рис. 32.1. Рассеяние света в конус (называемое числовой
апертурой волокна) зависит от разности показателей преломления материала
сердцевины и внешней среды. На рис. 32.1 показаны типичные для серийно
выпускаемых волокон области освещения. Активные биохимические компоненты
биосенсора нередко защищают от внешнего окружения одним или несколькими
слоями мембран, покрывающими конец оптического волокна. Характеристики
этих мембран подбирают в соответствии с конкретными требованиями
различных анализов.
По мере расширения области освещения (при удалении от торца волокна)
интенсивность света уменьшается. Доля излучаемого при флуоресценции
света, который возвращается в оптическое волокно и передается к
детектирующей системе, также быстро падает с расстоянием. Определеннное
представление о влиянии геометрических факторов на детектирование дает
рис. 32.2 (рассмотрен случай аксиального светового пучка). Общее
количество света, возвращающегося в волокно, суммируется по всем точечным
источникам света в области освещения, но для практических целей можно
считать, что полезные сигналы, доходящие до детектора, исходят из зоны
длиной около десяти диаметров волокна. Таким образом, как показано на
рис. 32.3. для волокна диаметром порядка 200 мкм эффективная зона сенсора
имеет длину около 2 мм.
Еще одним способом, позволяющим свету проникать во внешнюю среду,
является удаление оболочки с части сердцевины. Если у последней
показатель преломления выше, чем у внешней жидкости, свет, как и прежде,
передается по волокну дальше, но
Рис. 32.2. Геометрическое представление светособирательной силы
оптического волокна. Заштрихованная область представляет собой проекцию
конуса света от точечного излучателя на оси оптического волокна.
Сердцевина.
оптического
волокна
Флуоресцентный
излучатель
Вошедшее флуоресцентное излучение
Доля воспринятого флуоресцентного - 7- излучения
Неиспользуемая
флуоресценция
L/D
L'fiVk
пню
Непрозрачное Числовая покрытие апертура
Пористая мембрана 0,3 0,5
Сердцевина ЮОмкм оптического I волокна
жшт
Оболочка
Область
утечки
Z00 мкм
Волоконно-оптические биосенсоры
50"7
Расстояние от конца оптического волокна, jhm
небольшая его часть все же попадает во внешнюю фазу в виде затухающей
волны.
Такая волна экспоненциально убывает с расстоянием от поверхности
сердцевины, и для
всех практических целей можно считать, что она эффективно действует
только на
расстояниях порядка 100 А.
32.3. Биосенсоры на основе биорецепторов
В этой главе мы ограничимся рассмотрением биосенсоров на основе
обратимого связывания определяемых веществ со специфическими рецепторами.
В биологии в среде аналитических методов этого типа чаще всего
встречаются методы иммуноанализа с использованием специфических антител к
низкомолекулярным гаптенам (в данном контексте-к определяемым веществам).
Исходно в иммуноанализе для контроля степени связывания использовали
радиоактивные метки. Однако в последние годы с этой целью все чаще
прибегают к флуоресцентным меткам, исключающим возможность радиационного
поражения [24]. К счастью, большинство технологических приемов,
разработанных для флуоресцентного иммуноанализа, можно легко приспособить
и для биосенсоров.
Кроме антител, кандидатами в рецепторы для биосенсоров могут быть белки
