Aktuální číslo:

Optické biosenzory s povrchovými plazmony

Nový nástroj pro bioanalytiku

| 23. 7. 2009

| Vesmír 88, 483, 2009/7

Představme si zařízení, které z kapky pacientovy krve odhalí za pár minut zvýšené riziko infarktu myokardu či vysokou pravděpodobnost výskytu zhoubného nádoru. Jiné takové zařízení bude průběžně monitorovat vodní tok a okamžitě zaregistruje jeho kontaminaci nebezpečnými chemickými odpady, další zařízení provede analýzu mléka přímo při odběru a upozorní na přítomnost nebezpečných bakterií. Všechny tyto analytické úkony budou provedeny velice rychle, levně a jednoduše, bez složité přípravy vzorku. A to je jen krátký výčet z dlouhého seznamu cílů tisíců vědců po celém světě, kteří právě taková zařízení – biosenzory – vyvíjejí.

Dnešní metody pro stanovování patogenních bakterií a toxinů v potravinách využívají především tradiční kultivační metody a mikroskopické stanovení nebo imunochemické metody, jako je například ELISA.¹⁾ Tyto metody vyžadují komplexní laboratorní vybavení, kvalifikovanou obsluhu a jsou časově náročné. Analyzovaný vzorek je navíc nejdříve nutno dopravit do laboratoře, což analýzu dále prodražuje a zpomaluje. Výzkum biosenzorů naopak směřuje ke kompaktním přenosným zařízením použitelným k detekci přímo na místě. Jejich princip je následující. – vybraný molekulární receptor rozpoznává a zachycuje detekovanou látku. Tento záchyt způsobuje změnu vlastností systému (např. hustoty, hmotnosti, vodivosti, indexu lomu, luminiscence), které jsou v senzoru přesně měřeny pomocí mechanických, elektrických nebo optických metod.

Jedním z technologicky nejpokročilejších optických biosenzorů jsou biosenzory založené na principu povrchové plazmonové rezonance, SPR (viz obr. 1 a rámeček). Oddělení optických senzorů Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR, v. v. i., (ÚFE) se výzkumu senzorů s povrchovými plazmony věnuje více než patnáct let. Výzkumný tým ústavu vyvinul řadu nových senzorů s povrchovými plazmony (obr. 2) a demonstroval jejich potenciál pro detekci pesticidů, protilátek, hormonů, DNA, RNA, bakterií a toxinů. Blízká budoucnost ukáže, zda se tyto biosenzory stanou užitečnými pomocníky lékařů, hygieniků nebo kontrolorů kvality potravin.

Literatura

Homola J.: Surface Plasmon Resonance Based Sensors, Springer Series on Chemical Sensors and Biosensors (ed. O. S. Wolfbeis), Vol. 4., Springer Verlag 2006

Homola J.: Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species, Chem. Rev. 108, 462–493, 2008/2

Poznámky

1) Enzyme linked immunosorbent assay čili enzymový imuno-vazebný test je jedna z nejpoužívanějších imunologických metod. Používá se např. ke stanovování protilátek, antigenů, toxinů, hormonů a dalších typů proteinů.

OPTICKÉ BIOSENZORY

S Povrchovými plazmony SPR (surface plasmon resonance) senzory využívají speciální mód elektromagnetického pole, který se šíří na rozhraní kovu a dielektrika – povrchový plazmon. Jádrem takového senzoru je tenká kovová vrstva, na níž je vybuzen (například metodou totálního tlumeného odrazu) povrchový plazmon. Jednou z možných konfigurací této metody je, že polychromatická světelná vlna prochází optickým hranolem a dopadá na čip s tenkou kovovou vrstvou (obr. 1). Vlna prochází kovovou vrstvou a světlo v úzkém pásmu vlnových délek excituje povrchový plazmon na vnějším povrchu kovové vrstvy. To se projevuje charakteristickým zářezem ve spektru odraženého světla. Na povrchu kovové vrstvy jsou imobilizovány molekulární receptory (například protilátky) schopné rozpoznat detekovanou látku (analyt). Při kontaktu povrchu senzoru se vzorkem se molekuly analytu vážou k protilátkám, což vyvolává lokální změnu indexu lomu a změnu rychlosti šíření povrchového plazmonu. To způsobuje změnu rezonanční vlnové délky (posuv spektrálního zářezu). Změna rezonanční vlnové délky je přímo úměrná množství zachycené látky. Vývoj množství zachyceného analytu lze pomocí SPR senzoru pozorovat v reálném čase.