Optoelectron. Semicond. Tech. 55, 136-150 (2020)

Yu.M. Shirshov, K.V. Kostyukevych, R.V. Khrystosenko, A.V. Samoylov, Yu.V. Ushenin, N.Ya. Gridina


Despite the great practical importance, the control of blood by optical methods is enormously

complicated by the strong scattering of light. This is especially true for formed blood elements (FBEs), which are a

compact suspension that remains after plasma removal from blood by centrifugation. The study of the surface plasmon

resonance (SPR) in Kretchman’s geometry together with measurement of the angular dependence of the light internal

reflection R( φ ) at the glass/ FBEs boundary is one of the few possibilities to obtain additional information about the

structure and molecular composition of this complex inhomogeneous object. Measurement of R( φ ) for contact FBEs

with the glass surface allows to determine the total internal reflection (TIR) angle and the effective refractive index N of

the binary of erythrocytes-blood plasma mixture. At the same time, the comparison of the angles of TIR and SPR makes

it possible to establish the presence of a transition layer between gold surface and the volume of FBEs. In addition, a

detailed matching of the experimental dependence R( φ ) with one of calculated curve by regression method allows

minimize the objective function and allows to establish a detailed model of the transition layer. The paper shows that

the value of N is 1.4003...1.4008. According to the formula of the effective Bruggeman's medium, the packing density

of erythrocytes in the volume of FBEs is about 85%, which is well matched with the data known from the literature. At

the same time, at least two intermediate layers were detected at the gold /FBEs interface. (1) A layer 33–38 nm thick

adjacent to the hydrophobic surface of the gold film and with a refractive index of N p = 1.356–1.357. Presumably, it is a

binary phase with a liquid part in the form of water, a buffer solution or blood plasma and a hard part in the form of

proteins non-specifically related to gold, most likely molecules of albumin and fibrinogen. (2) A thicker, transition-to-

volume FBEs layer is most likely related to the edges curvature and marginal packing of erythrocytes; the effective

thickness of this layer is d m = 130-200 nm, and the effective refractive index N m = 1.356... 1.369. The details of this

transition layer are currently of considerable practical interest because they can reflect the physiological state of blood

cells and whole body, and the parameters d m and N m can be useful from a biological or medical point of view.

Keywords: surface plasmon resonance (SPR), forming blood elements (FBE), binary mixture, regression

analysis, erythrocytes.


1. Brynda E., Houska M., Brandenburg A., Wikerstal A. Optical biosensors for real-time measurement of analytes in blood plasma. Biosensors and Bioelectronics. 17 (2002) 665-/675.

2. George J. W. The Usefulness and Limitations of Hand-held Refractometers in Veterinary Laboratory Medicine: An Historical and Technical Review. Veterinary Clinical Pathology. Vol. 30, No. 4 (2001) 201-210.

3. Moore L.E., Smith D.M., Loneragan N.R. Blood refractive index and whole-body lipid content as indicators of nutritional condition for penaeid prawns (Decapoda: Penaeidae). Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 244 (2000) 131-143.

4. Sanz V., de Marcos S., Galban J. Direct glucose determination in blood using a reagentless optical biosensor. Biosensors and Bioelectronics. 22 (2007) 2876-2883.

5. El-Zaia S.Y. Interferometric determination of refraction and dispersion of human blood-serum, saliva, sweat and urine. Optics & Laser Technology. 35 (2003) 55 - 60.

6. Jongerius-Gortemaker B.G.M., Goverde R.L.J., van Knapen F., Bergwerff A.A. Surface plasmon resonance (BIACORE) detection of serum antibodies against Salmonella enteritidis and Salmonella typhimurium. Journal of Immunological Methods. 266(1-2), (2002) 33- 44.

7. Geer C.B., Rus I.A., Lord S.T., Schoenfisch M.H. Surface-dependent fibrinopeptide A accessibility to thrombin. Acta Biomaterialia. 3(5), (2007) 663-668.

8. Massona J.-F., Obandoa L., Beaudoin S., Booksh K. Sensitive and real-time fiber-optic-based surface plasmon resonance sensors for myoglobin and cardiac troponin I. Talanta. 62(5), (2004) 865-870.

9. Kostyukevych S.O., Kostyukevych K.V., Khristosenko R.V., LysiukV.O., Koptyukh A.A., Moscalenko N.L. Multielement surface plasmon resonance immunosensor for monitoring of blood circulation system. Optical Engineering. 56(12), (2017) 121907(1-8).

10. Khrystosenko R. V. Optimization of surface plasmon resonance based biosensor for clinical diagnosis of the Epstein-Barr herpes virus disease. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 19(1), (2016) 84-89.

11.Yang Y., Zhang Z., Yang X., Hock J., Li Y., Jiang J., Jiang D. Blood cell counting and classification by nonflowing laser light scattering method. Journal of Biomedical Optics. 9(5), (2004) 995-1001.

12. Friebel M., Meinke M. Determination of the complex refractive index of highly concentrated hemoglobin solutions using transmittance and reflectance measurements. Journal of Biomedical Optics. 10(6), (2005) 064019.

13. Friebel M, Roggan A, Muller G, Meinke M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions. Journal of Biomedical Optics. 11(3), (2006) 034021.

14. Friebel M., Meinke M. Influence of shear rate on the optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm. Journal of Biomedical Optics. 12(5), (2007) 054005.

15. Nochmuth R.M., Mohandas N. Unixial loading of the red cell membrane. J. Biomechanics. 5 (1972) 501-509.

16. Chien S. Principles and techniques for assessing erythrocyte deformability. Blood Cells.. 3(1977) 71-99.

17. Corry W.D., Meiselman H.J. Deformation of human erythrocytes in a centrifugal field. Biophysical J. 21(1), (1978)19-34.

18. Groner W., Mohandas N., Bessis M. New optical technique for measuring erythrocyte deformability with the ectacytometer. Clinical Chemistry. 26 (1980) 1435-1442.

19. Hansson K.M., Vikinge T.P., Ranby M., Tengvall P., Lundstrom I., Johansen K., Lindahl T.L. Surface plasmon resonance (SPR) analysis of coagulation in whole blood with application in prothrombin time assay. Biosensors & Bioelectronics. 14(8-9), (1999) 671-682.

20. Hansson K.M., Tengvall P., Lundstrom I., Ranby M., Lindahl T.L. Comparative studies with surface plasmon resonance and free oscillation rheometry on the inhibition of platelets with cytochalasin E and monoclonal antibodies towards GPIIb/IIIa. Biosensors and Bioelectronics. 17 (2002) 761-771.

21. Hansson K.M., Tengvall P., Lundstrom I., Ranby M., Lindahl T.L.Surface plasmon resonance and free oscillation rheometry in combination: a useful approach for studies on haemostasis and interactions between whole blood and artificial surfaces. Biosensors and Bioelectronics. 17 (2002) 747-759.

22. Hansson K.M., Johansen K., Wettero J., Klenkar G., Benesch J., Lundstrom I., Lindahl T.L., Tengvall P.Surface plasmon resonance detection of blood coagulation and platelet adhesion under venous and arterial shear conditions. Biosensors and Bioelectronics. 23 (2007) 261-268.

23.Hansson K.M., Johansen K., Wettero J., Klenkar G., Benesch J., Lundstrom I., Lindahl T.L., Tengvall P. Surface plasmon resonance detection of blood coagulation and platelet adhesion under venous and arterial conditions. Biosensors and Bioelectronics. 23 (2007) 261-268.

24. ( vremya dostupa 22 iyulya 2019 Winspall).

25. Kostyukevich K.V., Shirshov Yu.M., Hristosenko R.V., Samojlov A.V., Ushenin Yu.V., Kostyukevich S.A., Koptyuh A.A. Osobennosti uglovogo spektra poverhnostnogo plazmon-polyaritonnogo rezonansa v geometrii Kretchmana pri issledovanii lateksnoj vodnoj suspenzii. Optoelektronika i poluprovodnikovaya tehnika. 53 (2018) 220-239.

26. Roy D. Surface plasmon resonance spectroscopy of dielectric coated gold and silver films on supporting metal layers: reflectivity formulas in the Kretschmann formalism. Applied Spectroscopy. Vol. 55, No 8 (2001) 1046 - 1052.

27. Johnson P.B. and Christy R.W. Optical constants of transition metals: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Pd. Phys. Rev. B. Vol. 9, No.12 (1974) 5056-5070.

28. Li B., Chen J., Long M. Measuring binding kinetics of surface-bound molecules using the surface plasmon resonance technique. Analytical Biochemistry. 377 (2008) 195-201.

29. Chabot V., Cuerrier C.M., Escher E., Aimez V., Grandbois M., Charette P.G. Biosensing based on surface plasmon resonance and living cells. Biosensors and Bioelectronics. V.24, No.6 (2009) 1667-1673.

30. Gaus K., Hall E.A.H. Surface plasmon resonance sensor for heparin measurements in blood plasma. Biosensors & Bioelectronics. 13 (1998) 1307-1315.

31. Kostyukevych K.V., Khristosenko R.V., Pavluchenko A.S., Vakhula A.A., Kazantseva Z.I., Koshets I.A., Shirshov Yu.M. A nanostructural model of ethanol adsorption in thin calixarene films. Sensors and Actuators B. 223 (2016) 470-480.

32.Gaus K., Hall E.A.H. Biosens.Bioelectron. 13 (1998) 1307-1315.

33. Emmenegger C.R., Brynda E., Riedel T., Sedlakova Z., Houska M., Alles A.B. Interaction of blood plasma with antifouling surfaces. Langmuir. 25(11), 6328-6333 (2009).

34. Yang W., Xue H., LiW., Zhang J., Jiang S. Pursuing "Zero" Protein Adsorption of Poly(carboxybetaine) from Undiluted Blood Serum and Plasma. Langmuir. 25(19), (2009) 11911-11916.

35. Shirshov Yu.M., Chegel V.I., Subbota Yu.V., Matsas E.P., Rachcov A.E., Sergeeva T.A. Determination of polarizability and surface concentration of biomolecules using surface plasmon resonance experiment. Proc. of SPIE. Vol. 2648 (1995)118-123.

36. Snopok B.A., Kostyukevych K.V., Rengevych O.V., Shirshov Yu.M., Venger E.F., Kolesnikova I.N., Lugovskoi E.V. A biosensor approach to probe the structure and function of the adsorbed proteins: fibrinogen at the gold surface. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. Vol. 1, No. 1 (1998) 121-134.

37. Shirshov Yu. M., Snopok B. A., Samoylov A. V., Kiyanovskij A. P., Venger E. F., Nabok A. V., Ray A. K. Analysis of the response of planar polarization interferometer to molecular layer formation: fibrinogen adsorption on silicon nitride surface. Biosensors and Bioelectronics. Vol. 16, Issue 6 (2001) 381-390.

38. Snopok B.A., Kostyukevich E.V. Kinetic studies of protein-surface interactions: A two-stage model of surface-induced protein transitions in adsorbed biofilms. Analytical Biochemistry. 348 (2006) 222-231.

39. Xu Y., Hu C., Hu S. Direct electron-transfer of native hemoglobin in blood: Kinetics and catalysis. Bioelectrochemistry. 72 (2008) 135-140.

Ю.М. Ширшов, К.В. Костюкевич, Р.В. Христосенко, А.В. Самойлов, Ю.В. Ушенін, Н.Я. Гридіна


Незважаючи на велику практичну важливість, контроль крові оптичними методиками

катастрофічно ускладнюється сильним розсіюванням світла. Особливо це відноситься до клітинних елементів

крові (КЕК), що є компактною суспензією, яка залишається після видалення плазми шляхом центрифугування.

Дослідження плазмон-поляритонного резонансу (ППР) в геометрії Кретчмана та паралельне вимірювання

кутової залежності внутрішнього відбивання світла R( φ ) на межі поділу скло/КЕК є однією з небагатьох

можливостей отримати додаткову інформацію про структуру та молекулярний склад цього складного

неоднорідного об’єкта. Вимірювання R( φ ) в контакті із поверхнею скла дозволяє визначити кут повного

внутрішнього відбивання (ПВВ) та ефективний показник заломлення (N) бінарної суміші еритроцити-плазма

крові. В той же час співставлення кутів ПВВ та ППР дає змогу встановити наявність перехідного шару між

поверхнею золота та об’ємом КЕК. Крім того, детальне співставлення експериментальної залежності R( φ ) та

розрахункової кривої методом регресії дає змогу мінімізувати цільову функцію та надійно встановити детальну

модель перехідного шару. В роботі показано, що значення N складає 1.4003÷1.4008. За формулою ефективного

середовища Бруггемана щільність пакування еритроцитів в об’ємі КЕК складає біля 85%, що добре

узгоджується з відомими з літератури даними. Одночасно на межі поділу золото/КЕК виявлено принаймні два

проміжні шари. (1) Дотичний до гідрофобної поверхні золота шар з товщиною 33 – 38 нм і показником

заломлення N p = 1.356÷1.357. Ймовірно, він є бінарною фазою, де рідкою частиною є вода, буферний розчин

або плазма крові, а жорсткою частиною є неспецифічно сорбовані до поверхні золота протеїни, найбільш

вірогідно молекули альбумінів та фібріногену. (2) Більш товстий, перехідний до об’єму КЕК шар скоріш за все

пов’язаний з кривизною та граничним пакуванням еритроцитів; ефективна товщина цього шару складає

d m = 130÷200 нм, а ефективний показник заломлення N m = 1.356÷1.369. Деталі цього перехідного шару наразі

мають значний практичний інтерес, бо можуть віддзеркалювати фізіологічний стан клітинних елементів крові

та клітин організму, а оптичні параметри d m та N m можуть бути корисними з біологічної або медичної точок


Ключові слова: поверхневий плазмонний резонанс (ППР), клітинні елементи крові (КЕК), бінарна

суміш, регресійний аналіз, еритроцити.