Донцова реф. Введение Актуальность исследования
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
6.Иммуноферментный оптический биосенсор на основе наночастиц диоксида титана и оксида цинка Ранее было показано, что наноструктуры диоксида титана и оксида цинка, благодаря их фотолюминесцентным свойствам и модификации поверхности органическими комплексами, могут применяться для создания оптических сенсоров. Поскольку биологические молекулы хорошо иммобилизируются на поверхности оксида титана и оксида цинка, то можно рассматривать перспективы применения фотолюминесценции таких наночастиц в иммуноферментных биосенсорах для определения вирусов и других биологических веществ [5 ,3]. Иммуноферментные биосенсоры представляют собой сложную систему (рис.15.). Она состоит из биоселективного слоя и трансдьюсера [2-3]. В качестве биоселективного слоя выступают антигены или вирусы, а в качестве трансдьюсера - наноструктуры оксида металлов. Особенность иммуноферментной реакции состоит в том, что антигены и антитела одного и того же вируса взаимодействуют друг с другом по принципу «ключ-замок» формируя устойчивые комплексы. Данная особенность повышает селективность иммуноферментных биосенсоров по сравнению с другими видами данных устройств. Такой метод позволяет достаточно точно и просто проводить анализ взаимодействия биосенсора с определенным аналитом (адсорбатом) [21-23].  биоселективный слой Рис. 15. Схема иммуноферментного биосенсора. 7. Биосенсоры на основе диоксида титана Проблема диагностики лейкозы крупного рогатого скота Лейкоза крупного рогатого скота – это вирус, поражающий организм животных еще на эмбриональном уровне, приводящий к аномальным процессам мутации клеток крови и новообразованиям в лимфоцитах и лимфатических узлах [13, 12, 15]. Клинические признаки лейкозы, чаще всего вызванной инфекцией, включают потерю веса животных, снижение производства молока, увеличение лимфатических узлов и задний парез. Возбудителем заболевания является вирус типа С (ретровирусное семейство онковирусного стержня) [23]. Диагностика этого вируса является непростой именно из-за широкого спектра симптомов. Разработано множество различных методик для диагностики лейкозы, таких как классическая флуоресценция органических красителей, прикрепленных к биомолекулам, иммунная диффузия, радиоиммунный анализ и др. Данные методы, обладая высокой чувствительностью и специфичностью, требуют при этом либо большого количества времени детектирования либо применение меченых молекул, что существенно усложняет эксперимент. Влияние данных надостатков можно значительно уменьшить путем применения биосенсоров на основе наноструктурных материалов [17]. Формирование биоселективного слоя биосенсора на поверхности образца Как упоминалось ранее, биосенсоры обладают селективностью по отношению к определенному типу биомолекул благодаря наличию биоселективного слоя. Биоселективный слой представляет собой специфические молекулы, которые вступают в биологическое взаимодействие по принципу «ключ-замок» только с одним определенным типом биомолекул. В иммуноферментных сенсорах в качестве биоселективних слоев выступают антигены или антитела, которые являются сложными протеинами. Для очистки от возможных частиц, загрязняющих поверхность (пыль, и т.д.), наночастицы оксида титана, нанесенные на стекло, промывались этанолом. Поскольку измерения проводились в среде с определенным pH, во избежание возникновения дополнительных изменений в ходе тестирования биосенсоров, связанных с изменением pH, полученные наноструктуры оксида титана промывались в растворе PBS (phosphate buffer solution, pH=7.4) и просушивались в воздушном потоке [18]. Биологические образцы были получены в Национальном Университете биоресурсов и природопользования Украины. Иммобилизация биологических молекул проводилась по схеме детально описанной в [16, 17, 18]. На поверхность оксида титана наносился раствор PBS, содержащий антигены лейкоза (Ag) (0.05 мг/мл). После 10 минут выдержки поверхность образца промывалась раствором PBS (phosphate buffer solution, pH=7.4) для удаления антигенов, не вступивших во взаимодействие с оксидом титана. В результате иммобилизации был сформирован адсорбционно-чувствительный слой, обладающий избирательностью к одному типу молекул – антителам лейкозы [23]. Для предотвращения неспецифического взаимодействия (т.е. связывания антител, несвязавшихся с антигенами) поверхность оксида титана дополнительно обрабатывалась раствором BSA (Bovine serum albumin), молекулы которого заполняли свободные центры адсорбции на поверхности. По аналогичной методике осуществлялась иммобилизация антител лейкоза на поверхность биосенсора. Антитела лейкоза наносились из растворов PBS с различной концентрацией антител [23]. Взаимодействие биологических веществ с поверхностью наноструктур TiO2 определялось по изменению их спектров фотолюминесценции [23]. Исследование структурных и оптических свойств образцов В представленной работе коммерческих наночастиц TiO2 (размер частиц 32 нм) были использованы в качестве исходного образца для биосенсора. Наночастицы TiO2 были растворены в воде для приготовления золей. TiO2 слои были сформированы на стеклянных подложках путем оседания TiO2 золей и дальнейшей сушки при комнатной температуре. Отжиг производился при 300 0 С в течение 1 часа, чтобы удалить воду из образцов. Структурные свойства полученных образцов были изучены методом СЭМ. Изготовление чувствительного слоя производилось нанесением Ag на поверхности TiO2. TiO2 наноструктуры были подвержены действию водного раствора антигена лейкоза (Ag) в течение десяти минут, а затем дважды промывались в дистиллированной воде и сушились на воздухе при температуе 40 0 С. Задняя сторона образца TiO2 была закрытой, для предотвращать иммобилизации Ag на нем. Антитела лейкоза (Ab) наносились на TiO2-Ag поверхности из водных растворов с различными концентрациями Ab . Фотолюминесценция (ФЛ) измерялись установкой , представленной на (рис.1.13). Люминесценция стимулировалась с помощью УФ лазерного LCS-DTL-374QT с длиной волны возбуждения λ=355 нм. После усиления регистрируемого сигнала, спектр излучения записывался с помощью компьютера в диапазоне длин волн 370-800 нм.  Рис.1.13.фотолюминисцентное устройство[18]  Рис. 1.14. Спектры ФЛ наночастиц TiO2: (а) до и после иммобилизации антигенов (Ag); (b) при различных концентрациях антител (Ab).[119] Как видно из (Рис.1.14) при изменениях концентраций Ag и Ab на поверхности наночастиц TiO2 наблюдаеться сдвиг ФЛ пика и измененяется интенсивность ФЛ . Ответ биосенсора для лейкоза антител является функцией интенсивности ФЛ и положения пика. Полученный биосенсор может работать для таких концентраций антител лейкоза 0.002-0.006 мг / мл. 8. Биосенсоры на основе оксида цинка Наноструктуры оксида цинка достаточно широко применяются в качестве платформы для биосенсоров [27-28] . Большая площадь удельной поверхности данных наноструктур позволяет проводить эффективную иммобилизацию биомолекул, а также получить усиленный сигнал за счет большего числа иммобиллизированных биомолекул, и, как следствие, возможность определять максимально малые концентрации биомолекул. Широко распространены электрохимические биосенсоры на основе оксида цинка [15, 20]. Однако, оптические биосенсоры, а именно ФЛ биосенсоры на основе оксида цинка имеют хорошие перспективы, благодаря закономерному изменению спектров ФЛ после взаимодействия сенсоров с биологически активными веществами [30]. Проблема диагностики вируса свертывания виноградного листа Выводы: 1. Фотолюминесценция наностержней оксида цинка при комнатной температуре обусловлена рекомбинацией свободных экситонов (УФ полоса) и излучательными переходами с участием дефектных уровней (вакансии кислорода и цинка) (полоса в видимой части спектра). Низкая интенсивность свечения полосы в видимой области обусловлена низкой концентрацией дефектов, ответственных за нее. Интенсивность ФЛ оксида цинка в УФ и видимом диапазоне нелинейно зависит от мощности возбуждающего излучения. При данных значениях мощности возбуждающего излучения (8-19 мВт) вероятность образования свободных экситонов велика, что обуславливает сверхлинейную зависимость УФ полосы от мощности возбуждающего света и ограничивает видимую полосу сублинейной зависимостью. Возможный захват неравновесных электронов на поверхностные адсорбционные состояния и последующая безизлучательная рекомбинация являются дополнительным фактором, обуславливающим сверхлинейную зависимости УФ полосы свечения в наноструктур оксида цинка. 2. Фотолюминесценция наноструктур на основе оксида титана при комнатной температуре в видимой области спектра обусловлена рекомбинацией связанных экситонов и излучательными переходами с участием вакансий кислорода, с максимумами при 461 и 502 нм, соответственно. Интенсивность ФЛ оксида титана сверхлинейно зависит от мощности возбуждающего излучения (8-19 мВт) для обеих полос свечения в видимом диапазоне. Так же как и в случае с оксидом цинка, захват неравновесных электронов на поверхностные адсорбционные состояния (молекулярный кислород) обуславливает сверхлинейную зависимость интенсивности ФЛ от мощности возбуждения. Литература 1. Ü. Özgür, Ya. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Doğan, V. Avrutin, S.-J. Cho, and H. Morkoç, A comprehensive review of ZnO materials and devices, J. Appl. Phys., 98 (2005) 041301 2. B. Fleury, G. Dantelle, S. Darbe, J. P. Boilot, T. Gacoin, Transparent coatings made from spray deposited colloidal suspensions, Langmuir, 28 (2012) 7639−7645 3. V. Khranovskyy, G. R. Yazdi, G. Lashkarev, A. Ulyashin and R. Yakimova, Investigation of ZnO as a perspective material for photonics, Phys. Stat. Sol. A, 205 (2008) 144-149 4. Q. Geng, Z. He, X. Chen, W. Dai, X. Wang, Gas sensing property of ZnO under visible light irradiation at room temperature, Sensors and Actuators B: Chemical, 108 (2013) 293-297. 5. Viter R., Smyntyna V., Evtushenko N., Philevskaya L., Kurkov V., Adsorption properties and structural changes of SnO2 thin films in different atmospheres, Proceedings of EUROSENSORS XVI, Prague, the Czech Republic (2002), 1113-1116 6. Viter Roman, Smyntyna Valentin., Baranovsky Igor, Evtushenko Nina, Kurkov Valeriy, SnO2 thin film sensors for organic vapours, Proceedings of Nuremberg Messse (2003) 283-287 7. Viter R., Smyntyna V., Evtushenko N., Structural properties of nanocrystalline tin dioxide films deposited by electrostatic, spray pyrolisis method, Photoelectronics, 15 (2005) 54-57 8. M.Pisco, M.Consales, S.D’Addio, S.Campopiano, A.Cusano, R.Viter, V.Smyntyna, M.Giordano, Simultaneous Temperature and Ammonia Detection in Water by Tin-dioxide Optoelectronic Sensor, Proceedings of IEEE Sensors (2005) 881-884 9. M.Pisco, M. Consales, R.Viter, V.Smyntyna, S.Campopiano , M.Giordano, A.Cutolo, A.Cusano, Tin-dioxide based fiber optic sensor for in water ppm detection of ammonia at room temperature, Proceedings of EUROSENSORS XIX, (2005) 1256-1260 10. M. Pisco, M. Consales, R. Viter, V. Smyntyna, S. Campopiano, M. Giordano, A. Cusano, A.Cutolo, Novel SnO2 based optical sensor for detection of low ammonia concentrations in water at room temperatures, Intern. Sc. J. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics, 8 (2005) 95-99 11. A. Cusano, M. Consales, M. Pisco, P. Pilla, A. Cutolo, A. Buosciolo, R. Viter, V. Smyntyna, and M. Giordano, Optochemical sensor for water monitoring based on SnO2 particle layer deposited onto optical fibers by the electrospray pyrolysis method, Applied Physics Letters, 89 (2006) 3484-3486 12. M. Consales, M. Pisco, P. Pilla, A. Buosciolo, R. Viter, V. Smyntyna, M. Giordano and A. Cusano, Influence of Layers Morphology on the Sensitivity of SnO2-Based Optical Fiber Sensors, Proceedings of IEEE Sensors 2006 (2006) 881-884 13. Marco Pisco, Marco Consales, Stefania Campopiano, Roman Viter, Valentin Smyntyna, Michele Giordano, and Andrea Cusano, A Novel Optochemical Sensor Based on SnO2 Sensitive Thin Film for ppm Ammonia Detection in Liquid Environment, Journal of Lightwave Technology 24 (12) (2006) 5000-5007 14. R.V. Viter, V.A. Smyntyna, Yu. A. Nitsuk, Optical, electrical and structural characterization of thin nanocryctalline SnO2 films for optical fiber sensors application, Proceedings of Test sensor conference 2007, (2007) 1252-1257 15. V.A. Smyntyna, R.V. Viter, S. A.Gevelyuk, I. K.Doycho, Yu. V. Ishkov, S.V. Vodzinskii, I.P. Konup, A. P. Balaban and N. P. Zatovskaya, Porous glass with selective layers as sensors to VOC, Proceedings of EUROSENSORS XXII Conference, (2008) 392 16. R. Viter, N. Starodub, V. Smyntyna, A. Tereschenko, A. Kusevitch, J. Sitnik, J. Buk, J. Macak, Immune biosensor based on Silica Nanotube Hydrohels for rapid Biochemical Diagnostics of Bovine Retroviral Leukemia, Proceedia Engineering, 25 (2011) 948-951 17. Roman Viter, Valentyn Smyntyna, et al., ZnO Nanorods Room Temperature Photoluminescence Biosensors For Salmonella Detection, Technical Digest Frontiers in Optics (FiO) 2012 and Laser Science (LS) XXVIII Meetings (2012) FW3A.61 18. Будников, Что такое химические сесноры, Соросовский образовательный журнал, 3, 1998 19. R. Vinod, P. Sajan, Sreekumar Rajappan Achary, Carmen Martinez Tomas, Vicente Munoz-Sanjose, M Junaid Bushiri, Enhanced UV emission from ZnO nanoflowers synthesized by the hydrothermal process, J. Phys. D: Appl. Phys., 45 (2012) 425103 (6pp) 20. A. N. Zolotko, N. I. Poletaev, J. I. Vovchuk, A. V. Florko, Nanoparticles formation by combustion techniques: gaseous dispersed synthesis of refractory oxides, Gas Phase Nanoparticle Synthesis, Ed. London: Springer (2005) 123–156. 21. Bechelany, M. Amin, A. Brioude, A. Cornu, D. Miele, P., ZnO nanotubes by template-assisted sol-gel route, Journal of Nanoparticle Research, 14 (8) (2012) 1-7 22. R. Viter, V. Smyntyna, N. Starodub, A.Tereshchenko, A. Kusevitch, I. Doychoa, S. Geveluk, N. Slishik, J. Buk, J. Duchoslav, J. Lubchuk, I. Konup, A. Ubelis, J. Spigulis, Novel immune TiO2 photoluminescence biosensors for leucosis detection, procedia engineering, 47 (2012) 338-341 23. Adib Abou Chaaya, Roman Viter, Mikhael Bechelany, Zanda Alute, Donats Erts, Anastasiya Zalesskaya, Kristaps Kovalevskis, Vincent Rouessac, Valentyn Smyntyna and Philippe Miele, Evolution of microstructure and related optical properties of ZnO grown by atomic layer deposition, Beilstein J. Nanotechnol., 4 (2013) 690–698 24. Adib Abou Chaaya, Roman Viter, Ieva Baleviciute,Mikhael Bechelany, Arunas Ramanavicius, Zanda Gertnere , Donats Erts, Valentyn Smyntyna and Philippe Miele, Tuning Optical Properties of Al2O3ZnO Nanolaminates Synthesized by Atomic Layer Deposition, J. Phys. Chem. C, 118 (7) (2014) 3811–3819 25. Israel Lorite, Laura Villaseca, Pilar Díaz-Carrasco, Mercedes Gabás, José Luis Costa-Krämer, Doping, Сarriers and intergrain fields in ZnO films: An impedance and confocal Raman spectroscopy study, Thin Solid Films, 548 (2013) 657–660 26. Israel Lorite, Pilar Díaz-Carrasco, Mercedes Gabás, José Francisco Fernández, José Luis Costa-Krämer, Correlation between intrinsic defect and carrier transport in ZnO thin films by confocal Raman spectroscopy, Materials Letters, 109 (2013) 167–171 27. M. Barberio, P. Barone, V. Pingitore, A. Bonanno, Optical properties of TiO2 anatase – Carbon nanotubes composites studied by cathodoluminescence spectroscopy, Superlattices and Microstructures, 51 (2012) 177–183 28. Mohan Chandra Mathpal, Anand Kumar Tripathi, Manish Kumar Singh, S.P. Gairola, S.N. Pandey, Arvind Agarwal, Effect of annealing temperature on Raman spectra of TiO2 nanoparticles, Chemical Physics Letters, 555 (2013) 182–186 29. Bimal K. Sarma, Arup R. Pal, Heremba Bailung, Joyanti Chutia, Growth of nanocrystalline TiO2 thin films and crystal anisotropy of anatase phase deposited by direct current reactive magnetron sputtering, Materials Chemistry and Physics, 139 (2013) 979-987 30. Guang Zeng, Kai-Kai Li, Hua-Gui Yang, Yun-Hong Zhang, Micro-Raman mapping on an anatase TiO2 single crystal with a large percentage of reactive (001) facets, Vibrational Spectroscopy, 68 (2013) 279– 284 |