Optoelectron. Semicond. Tech. 57, 18-28 (2022)

H.V. Dorozinska, V. P. Maslov, G. V. Dorozinsky


Modern sensor technologies have advantages compared to other classical methods of analysis of liquid and gas environments, in particular, fast analysis and a small volume of the analyzed sample, high sensitivity, the ability to detect the analyzed substance in a polydisperse environment due to the specificity of the sensor. Plasmonics is one of the leading scientific directions, which is actively used in sensor technologies for the development of highly sensitive analytical devices and systems. Precision analytical devices based on SPR are used for research in the food, chemical, pharmaceutical industry, agriculture, medicine, and ecology. However, the interpretation of the measurement result is somewhat complicated when analyzing complex polydisperse systems and the presence of an interferent in the sample, which affects the value of the sensor signal. Therefore, there is a need to study, in particular, liquid polydisperse systems using models of approximate environments and using additional technologies to increase the specificity of the analyzed component by using receptor surfaces. The review provides information on the current state of polydisperse systems research using the example of milk - one of the most common food products. Sensitive, fast and efficient quantification and monitoring systems play a key role in the determination of harmful impurities in dairy products. The need to detect antibiotics with a minimum concentration in food products, in particular in dairy raw materials, which are complex polydisperse systems, is an important scientific problem. Such requirements give rise to the need to develop reliable, highly sensitive analytical methods. In addition, there is a huge demand for rapid analytical devices to detect antibiotic residues in milk samples on the farm before the raw material is sent to the factory, because after sending directly to the factory, in case of antibiotic detection, a large batch of milk is missing, which leads to excessive costs.

Keywords: surface plasmon resonance, sensor, selectivity, polydisperse system, milk, antibiotics.


1. Фершал М.В. Аналітичні сенсорні системи: навчальний посібник. Ужгород: Вид-во УжНУ «Говерла». 2022. 220 с. 

2. Музика К., Рожицький М. Синтетичні антимеламін-рецептори на базі молекулярно імпринтованих полімерів для ферментного псевдоімуноаналізу. Сенсорна електроніка та мікросистемні технології. 2015. 12, №2. С.48-56.  

3. Дорожинський Г. В., Маслов В. П., Ушенін Ю. В. Сенсорні прилади на основі поверхневого плазмонного резонансу: Монографія. К.  НТУУ «КПІ». 2016. С.264. 

4. Homola J., Yee S. and Gauglitz G. Surface plasmon resonance sensors: review. Sensors and Actuators B. 1999. 54. P.3–15. 

5. Войтович И. Д. Сенсоры на основе плазмонного резонанса: принципы, технологии, применения. К.: Сталь. 2011. 

6. Hsu S.-H., Lin Y.-Y., Lu S.-H., Tsai I-F., Lu Y.-T., Ho H.-T. Mycobacteriumtuberculosis DNA Detection Using Surface Plasmon Resonance Modulatedby Telecommunication Wavelength. Sensors. 2014. 14. P. 458-467. 

7. Dorozinsky G.V., Liptuga A.I., Gordienko V.I., Maslov V.P, Pidgornyi V.V. Diagnostics of motoroil quality by using the device based on surface plasmon resonance phenomenon. Scholars Journal of Engineering and Technology. 2015. 3. P.372-374. 

8. Aubin J., Ferrando M., Jiricny V. Current methods for characterising mixing and flow in microchannels. Chemical Engineering Science. 2010. 65,№ 6. P. 2065–2093. 

9. Merkus H.G. Particle Size Measurements: Fundamentals, Practice, Quality. Springer. 2009. 533 p. 

10. Кутя В. М. Аналіз методів і засобів контролю дисперсності емульсій. Вісник інженерної академії України. 2013. № 3-4. С. 242-247. 

11. Wiener O. Abhanl. math-phys. Kl. Sachs. Wiss. 1912. 32. P.509. 

12. Garnett J.M. Colours in metal glasses, in metallic films, and in metallic solutions. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A. Containing Papers of a Mathematical or Physical Character. 1905. 76, № 511. P. 237 – 288. 

13. Bruggeman V.D. Berechnung verschiedener physikalischer Кonstanten von heterogenen Substanzen, Dielektrizitatskonstanten und Leitfahigkeiten der Mischkorper aus isotropen Substanzen. Annalen der Physik. 1935. 416, №7. P. 636 – 664. 

14. Azzam R. M. A., Bashara N. M. Ellipsometry and Polarized Light. Amsterdam: North-Holland. 1987. 583 p. 

15. Dorozinska H.V., Dorozinsky G.V., Maslov V.P. Promising method for determining the concentration of nano-sized diamond powders in water suspensions. Functional Materials Journal. 2018. 25, №1. Р.158-164. DOI: 

16. Yanase Y., Suzuki H., Tsutsui T., Hiragun T., Kameyoshi Y., Hide M. The SPR signal in living cells reflects changes other than the area of adhesion and the formation of cell constructions. Biosensors and Bioelectronics. 2007. 22. P. 1081–1086. 

17. Baumgarten S., Robelek R. Surface plasmon resonance (SPR) sensors for the rapid, sensitive detection of the cellular response to osmotic stress Sensors and Actuators B. 2011. 156. P.798– 804. 

18. Hansson K.M., Johansen K., Wettero J., et al. Surface plasmon resonance detection of blood coagulation and platelet adhesion under venous and arterial shear conditions. Biosens.Bioelectron. 2007. 23. P. 261–268. 

19. Quinn J. G., O'Kennedy R., Smyth M., Moulds J, Frame T. Detection of blood group antigens utilising immibilized antibodies and sufrace plasmon resonance. Journal of Immunological Methods. 1997. 206, №1-2. P. 87-96. 

20. Gridina N., Dorozinsky G., Khristosenko R., Maslov V., Samoylov A., Ushenin Yu., Shirshov Yu. Surface plasmon resonance biosensor. Sensors & Transducers Journal. 2013.149, №2. P.60-68. 

21. Shirshov Yu.M., Kostyukevych K.V., Khistosenko R.V., Gridina N.Ya., Kostyukevych S.A., Samoylov A.V., Ushenin Yu.V. Optical control of the interface between gold surface and blood cell samples. Optoelectron. Semicond. Tech. 2021. 56. P. 134-155. 

22. Jaaskelainen A. J., Peiponen K.-E., Raty J. A., Dairy J. On Reflectometric Measurement of a Refractive Index of Milk. Journal of Dairy Science. 2001. 84, №1. P. 38-43. 

23. Vikinge T. P., Hansson K. M., Benesch J, Johansen K, Ranby M, Lindahl T. L. Blood plasma coagulation studied by surface plasmon resonance. J Biomed Optics. 2000. 5. P. 51–56. 

24. Mazumdar S. D., Barlen B., Kämpfer P., Keusgena M. Surface plasmon resonance (SPR) as a rapid tool for serotyping of Salmonella. Biosensors and Bioelectronics. 2010. 25. P. 967–971. 

25. Robelek R., Wegener J. Label-free and time-resolved measurements of cell volume changes by surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. Biosensors and Bioelectronics. 2010. 25. P. 1221–1224. 

26. Крижак Л. М., Калініна Г. П. Проблеми ідентифікації та виявлення фальсифікації молочних продуктів. IХ Міжнародна науково-практична інтернет-конференція. Полтава. Збірник тез. 2022. С. 52-55. 

27. Ingelfinger J.R. Melamine and the global implications of food contamination. N. Engl. J. Med. 359, №26. 2008. P.2745–2748.

28. Brown C., Jeong K.S., Poppenga R.H. [et al.]. Outbreaks of renal failure associated with melamine and cyanuric acid in dogs and cats in 2004 and 2007. Journal of Veterinary Diagnostic Investigation. 2007. №19. P. 525–531. 

29. Sharma S., Paliwal A., Bassi M., Tomar M., Gupta V., Gulati S. Investigation of Adulteration in Milk using Surface Plasmon Resonance. ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2021. 10,9. P. 091004. 

30. Wu S., Qian L., Huang L. et al. A Plasmonic Mass Spectrometry Approach for Detection of Small Nutrients and Toxins. Nano-Micro Lett. 2018. 10, №52.  DOI: 

31. Wu H., Li H., Chua F.Z., Li S.F. Rapid detection of melamine based on immunoassay using portable surface plasmon resonance biosensor. Sensors Actuators B Chem. 2013. 178. Р. 541-546, 10.1016/j.snb.2012.12.089. 

32. Dursun A. D., Borsa B. A., Bayramoglu G., Arica M. Y., Ozalp V. C. Surface plasmon resonance aptasensor for Brucella detection in milk. Talanta. 2022. 239. P. 123074. 

33. Qu L., Bai J., Peng Y. et al. Detection of Three Different Estrogens in Milk Employing SPR Sensors Based on Double Signal Amplification Using Graphene. Food Anal. Methods. 2021. 14. P. 54–65. DOI: 

34. Rebe Raz S., Bremer M.G., Haasnoot W., Norde W. Label-free and multiplex detection of antibiotic residues in milk using imaging surface plasmon resonance-based immunosensor. Anal Chem. 2009. 81, №18. P.7743-9. DOI: 10.1021/ac901230v. 

35. Klestova Z. S., Voronina A. K., Yushchenko A. Y., et al. Surface plasmon resonance method for detection chicken infectious bronchitis coronavirus. Scientific and Technical Bulletin оf State Scientific Research Control Institute of Veterinary Medical P. 

36. Kurç Ö., Türkmen D. Molecularly Imprinted Polymers Based Surface Plasmon Resonance Sensor for Sulfamethoxazole Detection. Photonic Sens. 2022. 12. P. 220417. DOI: 

37. Altintas Z. Surface plasmon resonance based sensor for the detection of glycopeptide antibiotics in milk using rationally designed nanoMIPs. Sci Rep. 2018. 8. P. 11222. DOI: 

38. Gaudin V., Maris P. Development of a Biosensor-based Immunoassay for Screening of Chloramphenicol Residues in Milk, Food and Agricultural Immunology. 2001. 13, №2. P.77-86. DOI: 10.1080/09540100120055648. 

39. Fernandez F., Hegnerova K., Piliarik M., et al. A label-free and portable multichannel surface plasmon resonance immunosensor for on site analysis of antibiotics in milk samples. Biosensors & Bioelectronics. 2010. 26, №4. P. 1231-1238. DOI: 10.1016/j.bios. 

40. Gustavsson E, Degelaen J, Bjurling P, Sternesjö A. Determination of beta-lactams in milk using a surface plasmon resonance-based biosensor. J Agric Food Chem. 2004. 52, №10. Р. 2791-6. DOI: 10.1021/jf0344284. . 

41. Сelik O., Saylan Y., Göktürk I., Yılmaz F., Denizli A. A surface plasmon resonance sensor with synthetic receptors decorated on graphene oxide for selective detection of benzylpenicillin. Talanta. 2022. 253. DOI:

42. Pennacchio A., Varriale A., Esposito M.G., Scala A., Marzullo V.M., Staiano M., D'Auria S. A Rapid and Sensitive Assay for the Detection of Benzylpenicillin (PenG) in Milk. PLoS One. 2015. 10, №7. P: e0132396. DOI: 10.1371/journal.pone.0132396.

43. Prosa M., Bolognesi M., Fornasari L., Grasso G., Lopez-Sanchez L., Marabelli F., Toffanin S. Nanostructured Organic/Hybrid Materials and Components in Miniaturized Optical and Chemical Sensors. Nanomaterials. 2020. 10. P. 480.

Г. В. Дорожинська, В. П. Маслов, Г. В. Дорожинський


Сучасні сенсорні технології мають переваги порівняно з іншими класичними методами аналізу рідинних та газових середовищ, зокрема, швидкий аналіз і малий об’єм досліджуваної проби, висока чутливість, можливість виявляти аналізовану речовину у полідисперсному середовищі за рахунок специфічності сенсора. Плазмоніка є одним з провідних наукових напрямків, який активно застосовується в сенсорних технологіях для розробки високочутливих аналітичних приладів та систем. Прецизійні аналітичні прилади на основі ППР застосовуються для досліджень в харчовій, хімічній, фармацевтичній промисловості, в сільському господарстві, в медицині, екології. Проте інтерпретація результату вимірювання дещо ускладнюється при аналізі складних полідисперсних систем та присутності інтерферента (речовини, яка міститься в досліджуваному зразку та відрізняється від аналізованого компонента) у зразку, який впливає на величину сигналу сенсора. Тому постає необхідність дослідження, зокрема, рідких полідисперсних систем з використанням моделей наближених середовищ та використанням додаткових технологій підвищення специфічності до аналізованого компонента за допомогою застосування рецепторних поверхонь. В огляді наведено інформацію про сучасний стан досліджень полідисперсних систем на прикладі молока – одного з найпоширеніших харчових продуктів. Чутливі, швидкі та ефективні системи кількісного визначення та моніторингу відіграють ключову роль для визначення шкідливих домішок в молочних продуктах. Необхідність виявлення антибіотиків з мінімальною концентрацією в продуктах харчування, зокрема в молочній сировині, які є складними полідисперсними системами, є важливою науковою проблемою. Такі вимоги породжують потребу в розробці надійних високочутливих аналітичних методів. Крім того, існує величезний попит на експресні аналітичні пристрої для виявлення залишків антибіотиків у зразках молока на фермі перед відправленням сировини на завод, оскільки після відправлення безпосередньо на заводі у разі виявлення антибіотиків бракується велика партія молока, що призводить до надмірних витрат.

Ключові слова: поверхневий плазмонний резонанс, сенсор, селективність, полідисперсна система, молоко, антибіотики.