В последнем десятилетии ХХ в. начались интенсивные разработки новой группы люминесцентных сенсоров. Они используют т.н. "люминесцентные маркеры" – специально синтезированные макромолекулы, в состав которых входят два важных функциональных звена (рис. 22.2). Одно из них имеет выраженную люминесцентную активность, т.е. ярко светится под действием возбуждающего света (или иного возбуждающего фактора). Это звено называют сигнализатор (англ. reporter). Другое звено делают выборочно чувствительным к аналиту – к тому химическому или биохимическому веществу, наличие которого надо обнаружить и определить его концентрацию. Это звено называют распознаватель (англ. recognition element). Часто с этой целью используют молекулы естественных биохимических ферментов (энзимов). Но используют также и специально синтезированные молекулы-распознаватели.
.files/image2217.gif)
Рис. 22.2. Функциональная схема люминесцентного маркера
В составе макромолекулы эти два звена взаимодействуют так, что, когда к распознавателю присоединяется частица контролируемого аналита, то это приводит к гашению или, наоборот, – к стимулированию люминесценции сигнализатора. И сенсор, измеряя интенсивность люминесценции, определяет по ее изменениям наличие и концентрацию аналита или характеристики специфического внешнего фактора.
При этом интеллектуальный сенсор, имеющий встроенный микрокомпьютер, обладает тем преимуществом, что легко может учесть нелинейность зависимости интенсивности люминесценции от концентрации аналита, а также влияние фактических изменений температуры, кислотности среды и других факторов, от которых (кроме концентрации аналита) тоже может зависеть интенсивность люминесценции. Наличие внутренней памяти позволяет такому сенсору отследить и сохранять в памяти динамику изменения интенсивности люминесценции, а следовательно, и концентрации аналита со временем. Микрокомпьютер может сделать из этого определенные диагностические выводы, рассчитать кинетические характеристики и сигнализировать о возникновении критических ситуаций.
Авторы работы синтезировали, например, макромолекулы, в которых специфически чувствительное к молекулам воды звено ([Ru(phen)2(dppz)]2+–1,10 phenanthroline и dipyrido [3,2-a:2',3'-c]phenazine) присоединено к сигнализатору – политетрафлуороэтилену. Благодаря такому объединению, интенсивность флуоресценции последнего стала зависимой от относительной влажности окружающего воздуха. Люминесцентный сенсор с использованием этого маркера позволил измерять относительную влажность воздуха в диапазоне от 4 до 100 % (при 20°C) с воспроизводимостью лучше ±4%. Однако при быстром изменении влажности требуется определенное время для установления нового динамического равновесия. Требуемое время составляет около 1,5 мин. Если пленку с такими макромолекулами-маркерами нанести ("иммобилизовать") на поверхность оптического волокна, то можно получить люминесцентный сенсор для измерения влажности грунта, зерна, сахара и т.п. материалов на заданных глубинах. Для этого зону оптического волокна с нанесенным люминесцентным маркером располагают в заданной точке внутри контролируемой среды (в грунте, в емкости с зерном, сахаром и т.п.). Через один торец в оптическое волокно вводят возбуждающий свет, который, достигая чувствительной поверхности, возбуждает в ней флуоресценцию. А на другом конце измеряют ее интенсивность. По результатам измерений микрокомпьютер вычисляет влажность контролируемой среды.
Есть сообщение о синтезе макромолекулярного комплекса, выборочно чувствительного к атомам и ионам ртути. Люминесцентным сигнализатором в нем служит порфирин. Интенсивность его флуоресценции значительно возрастает после присоединения к комплексу атома ртути. Измерения проводят спустя 15 мин контакта с контролируемой средой. Люминесцентный сенсор с таким маркером имеет избирательную чувствительность к присутствию ртути порядка 25 мкг/л с воспроизводимостью 5-10%.
Для быстрого обнаружения присутствия и измерения концентрации органофосфатов, которые входят в состав вредных для здоровья человека инсектицидов и ряда нейротоксинов в биохимическом маркере для соответствующего люминесцентного сенсора звеном, селективно распознающим наличие органофосфатов, является фермент органофосфатгидролаза (organophosphate hydrolase – OPH), а люминесцирующим сигнализатором – карбоксинафтофлуоресцеин (carboxynaphthofluorescein – CNF). Люминесцентный сенсор с таким маркером обнаруживает наличие органофосфатов уже при концентрациях до 0,05 мкмоль/л. Количественное измерение концентрации, например, пароксона возможно в диапазоне концентраций от 1 до 800 мкмоль/л.
Научные сотрудники Центра флуоресцентной спектроскопии при университете штата Мериленд (США) разработали пластиковый глюкосенсор, который надо носить как контактную линзу в глазу. На периферию этого пластикового глюкосенсора нанесены специально синтезированные макромолекулы-маркеры, которые, взаимодействуя с молекулами глюкозы, становятся способны к флуоресценции. Если осветить этот сенсор синим или фиолетовым светом, то по интенсивности флуоресценции периферийной его части можно определить концентрацию глюкозы в глазной жидкости пациента. А это позволяет судить о средней за прошедшие сутки концентрации глюкозы в его крови.
Можно приводить еще много других примеров, совокупность которых свидетельствует о том, что сенсоры с "люминесцентными маркерами" могут иметь очень широкий спектр применений и действовать не хуже, чем высокочувствительные и высокоизбирательные естественные сенсоры, которые за миллиарды лет эволюции создала живая природа.
Некоторые исследователи даже разрабатывают на этом принципе "оптический нос" – интеллектуальный сенсор, который будет обнаруживать присутствие в окружающей среде одновременно десятков разных химических веществ и будет различать тысячи запахов. Его основой будет набор (массив, "биочип" – рис. 22.3) из десятков или сотен чувствительных участков, на каждый из которых нанесены свои макромолекулы-маркеры какого-то конкретного химического вещества.
.files/image2219.jpg)
Рис. 22.3. Фотография "биочипа" с люминесцентными маркерами
Один чувствительный участок будет распознавать и позволит измерять, скажем, присутствие и концентрацию кислорода, другой – озона, третий – углекислоты, четвертый – аммиака, пятый – этилового спирта, шестой – метилового спирта и т.д. Распределение интенсивности флуоресценции по поверхности такого "биочипа" будет отображать "запах" – химический состав окружающей среды. Адресно измеряя интенсивность люминесценции каждого из таких участков и обрабатывая эти данные, микрокомпьютер может выдать информацию о наличии и концентрации всех десятков-сотен контролируемых химических веществ, неусыпно следить за составом газовой среды, давать интерпретацию характерных комбинаций "запахов", предупреждать об опасных ситуациях.
