Исследователи из Великобритании разработали голографический сенсор, который изменяет цвет в ответ на определенный аналит.

Сенсоры, изготовленные из гидрогеля, содержащего наночастицы серебра, организованные в предопределенную слоистую структуру, могут иметь себестоимость лишь по 10 фунтов за устройство, что делает их потенциально привлекательными для массового скрининга клинических образцов или образцов окружающей среды.

Исследование, проведенное Али Йетисеном (Ali Yetisen) из Кембриджского университета, основывается на концепции, первоначально разработанной Джефом Блитом (Jeff Blyth). Эта концепция включает создание «динамической» голографической дифракционной решетки.

Подход к созданию сенсора таков – слой гидрогеля на основе полигидроксиэтилметакрилата толщиной 10 мкм импрегнирован наночастицами серебра, которые изначально распределены в гидрогеле произвольно. Если же на гидрогель направить несколько мощных лазерных лучей, происходит их интерференция, сложение и вычитание интенсивностей колебания, и, следовательно, формирование максимумов и минимумов энергетического воздействия. Это приводит к тому, что на гель оказывается оптическое и тепловое воздействие, , в результате чего наночастицы организуются в дискретные слои, находящиеся на на строго определенном расстоянии друг от друга, и, в результате формируется голографическая дифракционная решетка.

Лазерная интерференция способствует организации наночастиц серебра в слои, находящиеся на определенном расстоянии, эти слои способствуют дифракции волн света с определенной длиной.

Когда белый свет попадает на решетку, монохроматический световой луч рассеивается от нее. Цвет этого монохроматического светового луча определяется расстоянием между серебряными уровнями, и поэтому для создания решетки использовалась длина волны лазеров. Будет ли в растворе гидрогель набухать или сжиматься зависит от локальных взаимодействий частиц в системе раствор/гидрогель. Поскольку гидрогель расширяется или сжимается, то расстояние между серебряными слоями изменяется, меняя окраску света дифракции.

Изменение концентрации гидроксил-ионов в растворе, например, приводит к изменению цвета. Четко выраженные сдвиги могут определяться невооруженным глазом, улавливая изменение pH всего в 0,25 единиц, превращая окраску гидрогеля из голубой в зеленоватый. Цифровая камера на смартфона может различать даже малейшие изменения, составляющие приблизительно вплоть до 0.01 pH единиц.

Йетисен говорит, что гидрогель может быть функционализирован для перестройки его структуры с целью взаимодействия с определенными аналитами. Например, за счет присоединения производных бороновой кислоты гидрогель может детектировать углеводы, например глюкозу.

Прототип сенсора проходит испытание в отделении лечения диабета Адденбрукской больницы в Кембридже. Для испытания нового устройства используются образцы мочи пациентов, в которых определяется количественное содержание глюкозы.

Марк Эванс (Mark Evans), специалист по терапии и диагностики диабета, помогающий тестировать прибор, говорит, что он не ожидал увидеть столь высокую эффективность работы нового сенсорного устройства, обращая внимание, что представленная исследователями из группы Йетисена концепция находится на начальном пути развития. По мнению Эванса, если прототип устройства удачно пройдет испытания, низкая стоимость нового сенсора позволит использовать его в клинических условиях на повсеместной основе.
Йетисен говорит, что в настоящий момент решает задачу разработки лигандов для нового сенсора, которые будут связывать ряд ключевых биохимических аналитов с высокой степенью селективности.