Российские физики из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и медики из НИИ Физико-химической медицины Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию разработали голографические сенсоры для диагностики концентраций отдельных компонентов растворов. Список возможных применений сенсоров довольно широк, но в качестве основной задачи ученые поставили перед собой создание дешевых и простых в обращении тестовых пластинок для диагностики концентрации глюкозы в крови – важной процедуры в лечении больных сахарным диабетом.

Голографические матрицы (голограммы Денисюка) при изменении влажности набухают или сжимаются. Это приводит к изменению длины волны отраженного от них света (следовательно, и к изменению цвета). В течение почти 50 лет это считалось недостатком голографического изображения. Однако некоторое время назад этот, казалось бы, отрицательный фактор догадались использовать для аналитических целей. Для этого в матрицу голограммы необходимо внедрить вещества, чувствительные к наличию тестируемого компонента, тогда в зависимости от концентрации этого самого компонента в растворе и сама пластинка будет вести себя по-разному.

> «Совместно с медиками мы разработали голографические матрицы на основе полимерного гидрогеля – сополимеров акриламида с водорастворимыми мономерами. В матрицу встроены вещества, делающие ее чувствительной к параметру раствора, например, к кислотности среды, или к какому-то веществу, например, к глюкозе. Если опустить такую пластинку в раствор, где эти компоненты есть, то период структуры изменится, – пластинка либо набухнет, либо наоборот сожмется. Это приводит к тому, что при освещении голограммы белым светом изменится длина волны отраженного от нее излучения. И чем больше вещества, на которое настроена пластинка, тем больше сместится длина волны», – рассказывает руководитель работы, старший научный сотрудник ФИАН кандидат физико-математических наук Александр Крайский.

Ученым из ФИАНа и НИИ Физико-химической медицины удалось не только создать, но и настроить свои голографические сенсоры на выявление содержания в воде спирта и ионов двухвалентных металлов (натрия, свинца, магния, стронция, кобальта). В частности, исходя из содержания в воде ионов, придающих ей жесткость (а также путем сравнения профильтрованной воды с дистиллированной и водопроводной), ученые смогли протестировать эффективность работы нескольких фильтров для воды.

«На примере с водой мы убедились в том, что тестеры могут быть многоразовыми – мы провели измерения, потом промыли в растворе цитрате натрия и дистиллированной воде, и они стали вновь пригодны к использованию. Мы пока не ставили цель определить предельное количество измерений, но довольно часто проводили около десятка измерений на одной голограмме», – рассказывает Александр Крайский.

Спектр отражения разработанных сенсоров довольно узок – порядка единиц нанометров, поэтому при достаточной чувствительности к конкретному компоненту изменение спектра очень точно определяется современными малогабаритными спектрометрами невысокого разрешения, а в некоторых случаях даже визуально.

Рис. 1. Реакция голографических сенсоров на различное содержание спирта в воде.

Такие пластинки можно использовать в качестве датчиков для контроля условий транспортировки и хранения вакцин, сывороток, ферментных препаратов, продуктов питания, выявления содержания воды в авиационном керосине и многого другого. Однако в качестве основной задачи, интересной как для физиков, так и для медиков, было выбрано создание дешевых и простых в обращении пластинок для диагностики концентрации глюкозы в крови.

«В работе с глюкозой есть своя особенность. Если мы записываем голограмму в красном цвете, то практически все отклики расположены в инфракрасной области. Если же записывать на более короткой длине волны, например, с использованием синего гелий-кадмиевого лазера, тогда при предельной чувствительности голограмм к глюкозе 30 ммоль/л весь обычно определяемый в крови диапазон концентрации глюкозы или плазмы крови – от 0 до 10 ммоль/л – будет перекрываться в видимом диапазоне света. То есть проследить за тем, в норме концентрация глюкозы или нет, мы сможем прямо невооруженным глазом», – комментирует сотрудник ФИАН.

Рис. 2. Таблица соответствия отклика сенсора на концентрацию глюкозы в крови.

Еще одним замечательным свойством голографических сенсоров является возможность тестирования с помощью одной пластинки одновременно несколько образцов.

«С помощью одной тестовой пластинки мы можем контролировать разные реакции. Это можно делать, совмещая голограмму с устройствами, содержащими микрофлюидные каналы. Тогда можно тестировать одновременно несколько образцов, например, разных проб, от разных пациентов, либо производить анализ на несколько биохимических компонентов. Правда, для последнего случая нужно еще подработать сам тестер, то есть в конкретной области тестовой пластинки нужно минимизировать реакцию на другие компоненты и добиться максимума отклика на тестируемый. Для этого можно локально изменять свойства эмульсии или вводить в раствор какой-то реагент, который будет влиять на отклик нашей голограммы», – подытоживает Александр Крайский.

По предварительным оценкам, на одном квадратном сантиметре голографического сенсора можно осуществлять одновременно до 3 десятков анализов.

Рис. 3.