Рефрактометрия. Оптоволоконные сенсоры и поверхностный плазмонный резонанс.

Рефрактометрия (химия) — это метод в физической химии для определения состава и структуры веществ, а также для контроля качества и состава различных продуктов в химической, фармацевтической, пищевой и многих других отраслях промышленности.

Рефрактометры – приборы для измерения показателя преломления среды. Методы измерения, применяемые в биосенсорных системах, получили общее название измерительные преобразователи нарушения полного внутреннего отражения. Этот эффект возникает как в оптических волокнах, так и в призмах при падении света под углом.

Волоконно-оптические измерительные преобразователи. Основаны на нарушении прохождения светового потока через оптическое волокно, изогнутое в форме петли. Эффект нарушения полного внутреннего отражения возникает, когда показатель преломления среды nс, окружающей стеклянное волокно, будет больше показателя преломления этого волокна nв.

Уменьшение потока DФ за счет нарушения полного внутреннего отражения, обусловленного выходом части излучения в оболочку:

DФ= k (nс – nв),

где k – коэффициент пропорциональности.

Данный измерительный показатель может применяться в биосенсорных системах для оценки метаболизма с биохимическими преобразователями на основе ферментов, если показатель преломления субстрата меньше показателя преломления стекла, а показатель преломления продукта, образованного в результате ферментативной реакции, всего на 10–7 больше показателя преломления стекла.

Нарушение полного внутреннего отражения происходит, когда среда непосредственно контактирует с материалом оптической нити. Поэтому эффект нарушения полного внутреннего отражения возникает также при осаждении на волоконную нить слоя биомолекул, что позволяет контролировать реакции образования биологических комплексов.

Волоконно-оптические инфракрасные измерительные преобразователи. Полезным эффектом нарушения полного внутреннего отражения, связанным с применением волоконной оптики в биосенсорных системах, является выход излучения из световода в среду, поглощающую инфракрасное излучение. Тогда оптическая плотность волоконного измерительного преобразователя:

D = aвL + f (aИК с),

где L – длина световода, aв – коэффициент поглощения волокна, aИК с – коэффициент поглощения среды в инфракрасной области излучения. Через волокно подается излучение различных длин волн инфракрасного-спектра. Учитывая, что многие микроорганизмы обладают специфичными инфракрасными-спектрами, волоконная инфракрасная-спектроскопия может использоваться для выявления изменений свойств биологических объектов.

Поверхностный плазмонный резонанс. Эффект нарушенного полного внутреннего отражения в треугольной призме при падении инфракрасного излучения на ее основание проявляется, если оно покрыто тонкой пленкой металла или полупроводника, на которой возникают плазмоны – квантовые колебания поверхностных зарядов.

Их влияние приводит к тому, что интенсивность отраженного излучения спектра при определенном угле падения резко падает. Значение данного угла зависит от показателя преломления приповерхностного слоя. Положение минимума отраженного потока смещается даже при изменении показателя преломления слоя всего на 10–10.

Эти сверхмалые изменения отражают, например, образование комплекса антиген-антитело или трансформацию комплексов биомолекул на поверхности тонкой пленки золота. Подобный метод (surface plasmon resonance) был разработан в 1970-е гг. Лидбергом для выявления способности биологических организмов к образованию комплексов.