ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ КОМПОНЕНТОВ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

В обзоре кратко перечислены основные моменты современного и мирового, и отечественного состояния разработки голографических сенсоров – нового класса диагностических устройств, представляющих собой толстослойные голограммы, записанные в специальной среде – гидрогеле, реагирующем на присутствие определенных веществ в жидких и газовых смесях. Под действием тестируемого компонента смеси, на который настроены сшивки гидрогелевой матрицы, чувствительный слой сенсора сжимается или разбухает – тем больше, чем больше концентрация, что дает возможность количественно оценивать концентрацию конкретного вещества. Описаны основные свойства, достоинства, измерительные возможности и возможные области применения голографических сенсоров. Весьма перспективными представляются исследования качества воды в городских системах водоснабжения, а также экосистем природных водоемов. С помощью голографических сенсоров можно измерять жесткость и кислотность воды, а также загрязненность ионами тяжелых металлов, бактериями и их спорами и т.д. Для мониторинга атмосферы существуют голографические сенсоры, позволяющие определять содержание горючих углеводородных газов в воздухе, его влажность и температуру. Показано, что сенсоры могут найти применение в медицине для определения концентраций широкого спектра соединений, содержащихся в биологических жидкостях. В обзоре более подробно обсуждались проблемы, возникающие при анализе содержания глюкозы в плазме и сыворотке крови. Проведено сопоставление голографических сенсоров с существующими диагностическими средствами. Рассматривались возможности применения цифровой техники обработки изображений, в том числе смартфонов, в качестве альтернативы спектрометрическим регистраторам отклика сенсоров, поскольку широко распространенная цифровая фототехника значительно снижает стоимость и упрощает измерения. Это имеет существенное значение для оперативного мониторинга экологических параметров, особенно в полевых условиях. Подробно описаны проблемы измерения длины волны отраженного от сенсора света для различных типов данных, доступных в цифровых камерах (форматов изображений). Приводятся известные в литературе обоснования важности разработки голографических сенсоров для возрастающего рынка экспресс-диагностики в практической медицине.

1. Hologram used as a sensor: WO Patent Application 1995026499 A1 / C.R. Lowe, R.B. Millington, J. Blyth, A.G. Mayes. – October 5, 1995.

2. Millington, R.B. Holographic sensor for Proteases / R.B. Millington [et al.] // Anal. Chem. – 1995. – Vol. 67. – P. 4229–4233.

3. Mayes, A.G. A holographic alcohol sensor / A.G. Mayes [et al.] // Anal. Chem. – 1999. – Vol. 71. – P. 3390–3396.

4. Toal, V. Introduction to Holography / V. Toal // CRC Press: Boca Raton. – FL, 2011. – 441 p.

5. Крайский, А.В. Голографические сенсоры для диагностики компонентов растворов/ А.В. Крайский, [и др.] // Квант. электроника. – 2010. – Т. 40. – № 2. С. 178–182.

6. Postnikov, V. A. Holographic Sensors for Detection of Components in Water Solutions / V.A. Postnikov; A.V. Kraiskii, V.I. Sergienko // in book “Holography – Basic Principles and Contemporary Applications”. – 2013. – Dr. Emilia Mihaylova (Ed.). – InTech. – Rijeka. – P. 103–128; DOI: 10.5772/53564

7. Mihaylova, E. Research on Holographic Sensors and Novel Photopolymers at the Centre for Industrial and Engineering Optics / E. Mihaylova [et al.] // in book “Holography – Basic Principles and Contemporary Applications”. – 2013, – Dr. Emilia Mihaylova (Ed.). – InTech. – Rijeka. – P. 89–102; DOI: 10.5772/56061.

8. Yetisen, A.K. Holographic Sensors: ThreeDimensional Analyte-Sensitive Nanostructures and Their Applications / A.K. Yetisen [et al.] // Chem. Rev. – 2014. – Vol. 114. – No. 20. – P. 10654–96.

9. Yetisen, A.K. Photonic hydrogel sensors / A.K. Yetisen [et al.] // Biotechnol. Adv. – 2016. – Vol. 34. – No. 3. – P. 250–271.

10. Zawadzka, M. Photonic Materials for Holographic Sensing / M. Zawadzka [et al.] // in M.J. Serpe (eds.), Photonic Materials for Sensing, Biosensing and Display Devices, Springer Series / M.J. Serpe [et al.] // in Materials Science. –2016. – 229; DOI: 10.1007/978-3319-24990-2_11

11. Стеблина, Ю.В. Решение актуальных задач экспресс-диагностики [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.fedlab.ru/upload/medialibrary/c2f/steblinayuv-_ekspress_diagnostika.-rostov_na_donu-02-iyunya2015.pdf Заглавие из документа. – (Дата обращения: 21.02.18).

12. Holtz, J. Polymerized colloidal crystal hydrogel films as intelligent chemical sensing materials / J. Holtz, S. Asher // Nature. – 1997. – Vol. 389. – С. 829–832.

13. In Vitro Diagnostics/IVD Market by Product, Application – Forecast to 2021 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/ivdinvitro-diagnostics-market-703.html Заглавие с экрана – (Дата обращения: 21.02.18).

14. Крайский, А.А. Определение параметров голографического слоя по его спектральным характеристикам / А.А. Крайский, А.В. Крайский // Квант. Электроника. – 2016. – Т. 46. – № 6. – С. 558–566.

15. Стаселько, Д.И. Юрий Николаевич Денисюк и трехмерная оптическая голография / Д.И. Стаселько // Как это было. Воспоминания создателей отечественной лазерной техники: Ч.3, под ред. И.Б.Ковш. – М.: «Лазерная ассоциация», 2011.

16. Mayes, A.G. Metal Ion-Sensitive Holographic Sensors / A.G. Mayes [et al.] //. Anal. Chem. – 2002. – Vol. 74. – No. 15. – P. 3649–3657; DOI: 10.1021/ac020131d

17. Marshall, A.J. pH-Sensitive Holographic Sensors / A.J. Marshall [et al.] // Anal. Chem. – 2003. – Vol. 75. – No. 17. – P. 4423–4431; DOI: 10.1021/ac020730k

18. Kabilan, S. Glucose-sensitive holographic sensorsy / S. Kabilan [et al.] // J. Mol. Recognit. – 2004. – Vol. 17. – P. 162–166; DOI:10.1002/jmr.663.

19. Yang, X. Towards the real-time monitoring of glucose in tear fluid: Holographic glucose sensors with reduced interference from lactate and pH / X.Yang [et al.] // Biosensors and Bioelectronics. – 2008. – Vol. 23. – P. 899–905.

20. Bhatta, D. Holographic sensors for the detection of bacterial spores / D. Bhatta [et al.] // Biosensors and Bioelectronics. – 2007. – Vol. 23. – Iss. 4. – P. 520–527.

21. Marshall, A.J. Metabolite-Sensitive Holographic Biosensors / A.J. Marshall [et al.] // Analytical Chemistry. – 2004. – Vol. 76 (5). – P. 1518–1523.

22. Lee, M.C. Glucose-Sensitive Holographic Sensors for Monitoring Bacterial Growth/ M.C. Lee [et al.]// Analytical Chemistry. – 2004. – Vol. 76. – No.19. – P. 5748–5755.

23. Sartain, F.K. Holographic Lactate Sensor / F.K. Sartain, X. Yang, C.R. Lowe // Analytical Chemistry. – 2006. – Vol. 78. – No. 16. – P. 5664–5670; DOI: 10.1021/ac060416g.

24. Martinez-Hurtado, J.L. Holographic Detection of Hydrocarbon Gases and Other Volatile Organic Compounds. / J.L. Martinez-Hurtado [et al.] // Langmuir. – 2010. – Vol. 26. – P. 15694–15699; DOI: 10.1021/la102693m.

25. Naydenova, I. A visual indication of environmental humidity using a color changing hologram recorded in a self-developing photopolymer / I.Naydenova // Appl. Phys. Lett. – 2008. – Vol. 92. – P. 031109; DOI:10.1063/1.2837454.

26. Maxwell Garnett, J.C. Colours in metal glasses and in metallic films / J.C. Maxwell Garnett // Phil. Trans. A. – 1904. – Vol. 203. – P. 385–420.

27. Maxwell Garnett, J.C. Colours in Metal Glasses, in Metallic Films, and in Metallic Solutions. II / J.C. Maxwell Garnett // Phil. Trans. A. – 1906. – Vol. 205. – P. 237–288.

28. Постников, В.А. Голографические сенсоры для определения глюкозы в модельных средах и сыворотке крови / Постников В.А. [и др.] // Известия вузов. Физика. – 2015. – Т. 58. – № 11/3. – С. 58–60.

29. Крайский, А.В. Голографические сенсоры для определения компонентов водных растворов / А.В. Крайский, В.А. Постников // Известия вузов. Физика. – 2015. – Т. 58. – № 11/3. – С. 40–42.

30. Зайцева, Г.В. Эффекты уменьшения концентрации глюкозы в плазме крови после насыщения крови кислородом / Г.В. Зайцева [и др.] // Краткие сообщения по физике ФИАН. – 2017. – Т. 44. – № 6. – С. 3.

31. Крайский, А.В. Измерение поверхностного распределения длины волны узкополосного излучения колориметрическим методом / А.В. Крайский, Т.В. Миронова, Т.Т. Султанов // Квант. электроника. – 2010. – Т .40. – № 7. – С. 652–658.

32. Крайский, А.В. Измерение длины волны узкополосного излучения при обработке цифровых фотографий в RAW-формате / А.В. Крайский, Т.В. Миронова, Т.Т. Султанов // Квант. Электроника. – 2012. – Т. 42. – № 12. – С. 1137–1139.

33. Крайский, А.В. Оптические свойства голографических сенсоров и колориметрический способ определения длины волны узкополосного светового излучения / А.В. Крайский [и др.] // Известия вузов. Физика. – 2015. – Т. 58. – № 11/3. – С. 47–50.

34. Gallegos, D. Label-free biodetection using a smartphone / D. Gallego [et al.] // Lab. Chip. – 2013. – Vol. 13. – P. 21–24; DOI: 10.1039/c3lc40991k

35. Martinez-Hurtado, J.L. Multiplex Smartphone Diagnostics / J.L. Martinez-Hurtado, Ali K. Yetisen, Seok-Hyun Yun / Paul C. Guest (ed.). – Multiplex Biomarker Techniques: Methods and Applications, Methods in Molecular Biology. – 2017. – Vol. 1546; DOI 10.1007/978-1-4939-6730-8_26,©Springer Science+ Business Media LLC.

36. Khalili Moghaddam, G. Smartphone-based quantitative measurements on holographic sensors / G. Khalili Moghaddam, C.R. Lowe // PLoS ONE 12(11): e0187467. – 2017 [E-resource] – Available on: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0187467