Интерфазное плазмонное усиление хирального сигнала биомолекул

Существующих ныне биосенсоров много, но самое яркое распространение получили оптические биосенсоры. Это обусловлено тем, что последние позволяют осуществлять детектирование очень малого количества вещества, и могут быть адаптированы к анализу и детектированию большой номенклатуры различных биологических и химических объектов. В настоящее время в этом направлении лидирующие позиции занимают биосенсоры, действие которых основано на спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса (ППР) и гигантском комбинационном рассеянии света. Несмотря на то, что последние находятся пока на уровне лабораторных разработок, они обладают определенными преимуществами по сравнению с ППР-биосенсорами. Посколькуколебательный спектр каждой молекулы индивидуален и чувствительность ГКР-методов не уступает методам ППР, это позволяет производить детектирование и изучать протекание биохимических реакций практически на уровне единичных биомолекул без дополнительной функционализации поверхности сенсора. В большинстве используемых сегодня ППР биосенсоров для возбуждения плазмонов на поверхности используется призменная схема, они имеет широкое распространение из-за простой реализации и возможности использования методов с различным типом модуляции сигнала. Принцип работы заключается в том, что пучок света одной длины волны проходит через призму и падает на пленку из тонкого металла, находящуюся на ее основании, под резонансным углом, соответствующим наиболее эффективному возбуждению поверхностных плазмонов. Интенсивность отраженного света зависит от эффективности возбуждения поверхностных плазмонов и поэтому связана с пространственным распределением показателя преломления вблизи поверхности металлической пленки. В современных ППР-сенсорах с помощью ПЗС-камеры происходит регистрация распределения интенсивности Iизлучения, отраженного от рабочей площадки сенсора, что дает увеличение производительности этого сенсора.В биосенсорах широко применяется спектроскопия комбинационного рассеяния света. Этот метод исследования является важным аналитическим методом специфической идентификации молекул. Этот вид спектроскопии изучает колебательные спектр исследуемого вещества. Из потока света, который падает на образец, рассеиваетсяобратно на той же длине волны лазера, однако малая часть будет неупругого рассеиваться, приводя к образованию ряда линий, которые дают информацию о собственных частотах вещества. Поскольку разные молекулы имеют различные собственные моды, спектр неупругого рассеяния уникален, и однозначно определяет анализируемое вещество. Для обнаружения различных биомолекул и для исследования кинетики биохимических реакций используют биосенсоры, действующие на основе спектроскопии поверхностного плазменного резонанса и эффекта гигантского комбинационного рассеяния. Для таких сенсоров призма, покрытая пленкой благородного металла, играет роль сенсорного элемента. С целью повышения чувствительности биосенсоров пленка из металла структурируется специальным образом. В том случае, если основу сенсорного элемента заменить на оптоволокно или дифракционную решетку, размер сенсора уменьшается и увеличивается его чувствительность.Применение различных схем и структур для возбуждения плазмонов в сенсорах, действие которых основано на спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса, позволяет работать в широком диапазоне концентраций и осуществлять детектирование биомолекул с концентрацией <100 пМ. Биосенсоры, основанные наэффекте гигантского комбинационного рассеяния, строятся либо на определенным образом наноструктурированных металлических подложках, либо на использовании коллоидных растворов из металлических наночастиц. По сравнению с вышеупомянутыми сенсорами, принцип действия которых основан на спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса, данные биосенсоры обладают рядом преимуществ: более высокая чувствительность, высокая специфичность вследствие однозначного детектирования молекулы по ее спектру комбинационного рассеяния света, а также возможность проведения анализа без дополнительной биогибридизации поверхности сенсора. Также данный тип биосенсоров позволяет работать в большом диапазоне концентраций детектируемых веществ и обнаруживать в растворах биомолекулы с концентрацией вплоть до 10 фМ. Но для проведения биохимического анализа с высокой прецизионностью эти сенсорные устройства требуют сложного аналитического оборудования, что делает трудным уменьшение их размеров. Таким образом, оба типа рассмотренных биосенсоров, обладая высокой чувствительностью к детектируемым молекулам, позволяют работать с большой номенклатурой биологических и химических соединений в широком диапазоне концентраций. Помимо этого, данные биосенсоры позволяют производить измерения в режиме реального времени, анализировать вещества со сложным составом, проводить анализ без использования меток и многократно применять один чип для проведения анализа. Они также обладают высокой стабильностью характеристик и воспроизводимостью результатов. Возможность реализации многоканальных систем для проведения анализа в таких биосенсорах значительно увеличивает чувствительность и производительность. Данные плюсы приводят к использованию сенсорных технологий широко – для прецизионной экспрессной диагностики в биомедицине, протеомных исследований белковых и белок-лигандных комплексов, биохимического анализа в фармокологии сывороточного связывания фармацевтических препаратов, исследования кинетики биохимических реакций для составления карт межбелковых и метаболических взаимодействий, кроме того для проведения анализа в биотехнологических и иммунологических тестовых системах [11].В биомедицинских приложениях используются конъюгаты плазмонно-резонансных частицы с биомакромолекулами. Биоконъюгат состоит из металлической наночастицы, к поверхности которой с помощью адсорбции или ковалентной пришивки прикреплены биомакромолекулы. Прикрепление биомакромолекул к поверхности наночастиц часто называется функционализацией. Принцип конъюгатов основан на комбинации оптического плазмонного резонанса наночастиц золота или серебра и биоспецифического взаимодействия узнающих молекул с молекулами-мишенями. Таким образом, молекула-зонд конъюгата используется для самого редкого связывания с мишенью, а металлическое ядро — для визуализации взаимодействия в случае диагностики с помощью резонансного рассеяния света в темнопольной просвечивающей электронной микроскопии, как контрастирующий агент или для тепловой фотодеструкции раковых клеток за счет резкого нагрева наночастиц лазерными наносекундными импульсами. С точки зрения реальных приложений, два свойства металлического ядра биоконъюгата являются принципиальными: (i) возможность настройки положения резонанса в нужную спектральную область; (ii) возможность настройки отношения поглощения и рассеяния света единичной частицей. Для сферических частиц коллоидного золота настройка резонанса довольно слаба, красный сдвиг плазмонного резонанса зависит от локального диэлектрического окружения универсальным образом и не обладает высокой чувствительностью, а коэффициент экстинкции частицы определяется более чем на 90% резонансным поглощением световой энергии. Как альтернатива широко распространенному коллоидному золоту в последнее время предложено использовать в качестве меток золотые наностержни, нанооболочки, а также кластеры частиц. Это раскрывает путь к новым возможностям для управляемой настройки резонанса и для настройки величины поглощения и рассеяния световой энергии.ЗАКЛЮЧЕНИЕПлазмоны в металлах, а также их влияние на оптические свойства сред, лежат в основе наноплазмоники. Эта наука достаточно молода, но, тем не менее, результаты ее деятельности открыты новые эффекты, которые находят свое применение во все больших сферах. Значительное увеличение амплитуды электромагнитного поля в точке при плазмоном резонансе - интересный эффект, имеющий своей причиной взаимодействие плазмонов с веществом. В данной работе большое внимание было уделено гигантские эффектам, таким как люминесценция и рамановское рассеяние, а также гигантскому фотогальваническому, и их применениям в получении сенсоров. Биосенсоры используются для проведения различных биохимических анализов в условиях клинических анализов, например, для определения процентного содержания лекарств, а также продуктов метаболизма и гормонов. В современности все большее распространение имеют биосенсоры, предназначенные для различных типов биологического анализа.СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ1. Качмарек Ф. Введение в физику лазеров.. М.: Мир, 1980. 540 с. 2. Landsberg G., Mandelstam L. Eine neue Erscheinung bei der Lichtzertreuung // Naturwissenschaften. 1928. B. 16. S. 557. 3. Raman C.V. A new radiation // Ind. J. Phys. 1928. Vol. 2. P. 387-398. 4. Fleischmann M., Hendra P. J., McQuillan A.J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode // Chem. Phys. Lett. 1974. Vol. 26, № 2. P. 163-166. 5. Jeanmaire D. L. and Van Duyne R. P. Surface raman spectroelectrochemistry: Part I. Heterocyclic, aromatic, and aliphatic amines adsorbed on the anodized silver electrode // J. Electroanal. Chem. 1977. Vol. 84, № 1, P. 1-20. 6. Van Duyne R. P., Hulteen J. C., Treichel D. A. Atomic force microscopy and surfaceenhanced Raman spectroscopy. I. Ag island films and Ag film over polymer nanosphere surfaces supported on glass // J. Chem. Phys. 1993. Vol. 99, P. 2101.7. Albrecht M. G. and Creighton J. A. Anomalously intense Raman spectra of pyridine at a silver electrode // J. Am. Chem. Soc. 1977. Vol. 99, № 15. P. 5215- 5217.8. Raman C.V., Krishnan K.S. A New Type of Secondary Radiation//Nature. 1928. Vol. 121. P. 501. 9. Бояринцев C.О., Сарычев А.К. Компьютерное моделирование гигантского комбинационного рассеяния в наноструктурированных метаматериалах // ЖЭТФ, Том 140, Вып. 6. С. 1103. 10. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. NY: Springer Science+Business Media, 2007. 201 p. 11. Sharma B., Frontiera R.R., Henry A.I., Ringe E., Van Duyne R.P.: SERS: materials, applications, and the future // Materials Today. 2012. Vol. 15, № 1-2. P.16-25.