CC BY
22
номер 1, 2000 г.
Краткие сообщения по физике ФИ АН
УДК 539.216.2
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ БАКТЕРИАЛЬНЫЙ СЕНСОР НА
ЭТИЛЕНГЛИКОЛЬ
С. И. Валянский, С. В. Виноградов, М. А. Кононов, Д. И. Никитин1, А. М. Прохоров,
В. В. Савранский
Предложен высокочувствительный, селективный сенсор на пары этиленгликоля. Принцип работы такого сенсора основан на эффекте поверхностного плазменного резонанса. Чувствительным слоем в предлагаемом устройстве является пленка из грамотрицателъных почкующихся бактерий ШавЬоЬасЬег viscosus, которые усваивают молекулы этиленгликоля для поддержания своего метаболизма. Сенсор может быть использован для измерения концентрации этиленгликоля в атмосфере закрытых помещений, источником которого является утечка из холодильных и криогенных установок.
Задача измерения наличия и концентрации паров этиленгликоля в замкнутых помещениях является чрезвычайно актуальной. Эффектом, регистрирующим изменения состояния бактериальной пленки в разработанном сенсоре, является поверхностный плазмонный резонанс (ППР) [1 - 3].
Условия возбуждения (по Кречману) поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) регистрирующего устройства сенсора зависят от диэлектрических проницаемостей материала призмы, металлической пленки и толщины бактериальной пленки. Эти параметры связаны упрощенным соотношением [4, 5]
6кх й^х [(—е0е2)1/2/(е2 - «о)] х {[(«и ~ «о) х (е2 - ег)]/|ег(с2 + £1)]} х с?2,
1 Институт микробиологии РАН.
Краткие сообщения по физике ФИ АН
номер 1, 2000 г.
где 8кх - приращение волнового вектора кх ПЭВ при нанесении на проводящую поверхность монослоя бактерий; кх - волновой вектор падающей волны; бо - диэлектрическая проницаемость материала призмы с п = 1.51; Ci - диэлектрическая проницаемость пленки серебра, равная —18.39 + гО.53; t2 - диэлектрическая проницаемость монослоя бактерий и ¿2 _ средняя толщина монослоя бактерий.
Можно приближенно вычислить диэлектрическую проницаемость бг наносимого на проводящую поверхность исследуемого слоя. Зная средний диаметр бактерий d2 =
о
0.8л*кл«, бо призмы, 61 серебра для пленок толщиной « 400 — 500 Л, можно получить значение диэлектрической проницаемости б2 для пленки бактерий. Из вычислений имеем для монослоя бактерий Blastobacter viscosus б2 = 2.02 -f ¿0.172. При взаимодействии бактерий с парами этиленгликоля меняется их 62, значение которого определяется по изменению кривой зависимости коэффициента отражения от угла падения возбуждающего излучения R(6).
В результате этого оказалось возможным построить сенсор на адсорбированной на носителе суспензии клеток бактерии Blastobacter viscosus, чувствительной и селективно восприимчивой к молекулам этиленгликоля, при утилизации которых изменяются опти ческие свойства бактериальной пленки. После взаимодействия бактерий Blastobacter viscosus с парами этиленгликоля расчет концентрации определяемых молекул этиленгликоля производится по изменению действительной части диэлектрической проницаемости б'2, отвечающей за сдвиг резонансной кривой, и мнимой части 6j, отвечающей за ее уширение.
Основным элементом сенсора является прямоугольная призма с нанесенной на ее ги-потенузную грань тонкой серебряной пленкой [4, 5] с полушириной резонансной кривой ППВ равной 0.12°. Подготовленная призма извлекалась из вакуумной камеры, опуска лась своей гипотенузной гранью в водную взвесь клеток бактерий Blastobacter viscosus и выдерживалась там 25 минут - время необходимое для равномерного заполнения клет ками примерно половины покрытой серебром поверхности призмы.
Указанное время контакта призмы с суспензией бактерий приводит к существованию двух резонансных откликов: одного - от поверхности серебра, другого - от поверхности слоя бактерий. В результате получаются два резонансных минимума (Р VI) на графике резонансной кривой R(0) (рис. 1), разнесенных на угол Д0 = 1.6°. С увеличением заполнения поверхности металлической пленки клетками бактерий участок РМ\ кривой, обусловленный вкладом серебряной пленки, постепенно переходит в участок PM-i, уменьшаясь по амплитуде. При последующем увеличении числа бактерий на
номер 1, 2000 г.
Краткие сообщения по физике ФИАН
Рис. 1. Геометрия, в которой решалось уравнение Пуассона.
пленке участок РМ2, обусловленный вкладом пленки бактерий, начинает уширяться и окончательно размывается при заполнении 75 - 80% площади поверхности серебряной пленки клетками бактерий.
При создании сенсора были учтены две особенности поведения регистрирующих бактерий. Одна, связанная с питанием бактерий, т.е. биохимическими процессами в клетке, при достижении концентраций ПДК и выше вызывает отклик на появление паров эти-ленгликоля. Скорость срабатывания в этом режиме составляет 5-6 минут после начала контакта с этиленгликолем [7, 8]. В результате кривая РМ2 резко сдвигается относительно РМ\. Вторая особенность зависит от увеличения числа бактерий с течением времени вследствие их размножения. Этот процесс сравнительно медленный, и он вызывает появление интегральной восприимчивости сенсора, когда концентрация молекул этиленгликоля лежит ниже пределов чувствительности сенсора. Наличие малой концентрации влияет на форму и положение кривой ППР. Для регистрации этого изменения предусмотрен второй диапазон измерений. Сенсор все время остается восприимчивым к появлению загрязнителя. Он автоматически делает поправку на сдвиг и деформацию кривой РМг, зависящую от времени, и срабатывает только при появлении пороговой концентрации.
Динамические характеристики процесса вводились в компьютер, и расчет концентрации этиленгликоля происходил непосредственно в реальном времени по скорости деформации резонансной кривой (сдвиг Ав и уширение Д£). Минимальная концентрация
Краткие сообщения по физике ФИАН
номер 1, 2000 г.
этиленгликоля, которую можно было зарегистрировать с помощью этого устройства, составляла 5 л« г на 1 м3.
Работа поддержана грантом РФФИ N 98-04-50004.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Kretschmann Е. Z. Physik, 241, 313 (1971).
[2] Raether Н. Phys. Thin Films, 9, 145 (1977).
[3] Surface plasmon resonance sensors review. Homola J., Yee S. S., Gaughtz Sensors and Actuatjrs B. Chemical, 54, 3 (1999).
[4] H и к и т и н А. К., Тищенко А. А. Зарубежная радиоэлектроника, 3, 38 (1983).
[5] L о р е z-R i о s Т., V и у е F. Sur. Sci., 81, N 2, 1979.
[6] В а л я н с к и й С. И., Виноградов С. В., Кононов М. А., и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 3, 3 (1999).
[7] Hanson R., Hanson Т. Microbiological Reviews. 60, N 2, 438 (1996).
[8] Слабо в а А. И., Никитин Д. И. Микробиология, 55, N 6, 934 (1986).
Институт общей физики РАН
Поступила в редакцию 11 января 2000 г.
