https://doi.org/10.15407/iopt.2022.57.018
Optoelectron. Semicond. Tech. 57, 18-28 (2022)
H.V. Dorozinska, V. P. Maslov, G. V. Dorozinsky
APPLICATION OF PLASMONICS FOR THE ANALYSIS OF POLYDISPERSE SYSTEMS
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.
References
1. Fershal M.V. Analitychni sensorni systemy: navchalnyi posibnyk. Uzhhorod: Vyd-vo UzhNU «Hoverla». 2022. 220 s.
2. Muzyka K., Rozhytskyi M. Syntetychni antymelamin-retseptory na bazi molekuliarno impryntovanykh polimeriv dlia fermentnoho psevdoimunoanalizu. Sensorna elektronika ta mikrosystemni tekhnolohii. 2015. 12, №2. S.48-56.
3. Dorozhynskyi H. V., Maslov V. P., Ushenin Yu. V. Sensorni prylady na osnovi poverkhnevoho plazmonnoho rezonansu: Monohrafiia. K. NTUU «KPI». 2016. S.264.
4. Homola J., Yee S. and Gauglitz G. Surface plasmon resonance sensors: review. Sensors and Actuators B. 1999. 54. P.3-15.
https://doi.org/10.1016/S0925-4005(98)00321-9
5. Voitovych Y. D. Sensory na osnove plazmonnoho rezonansa: pryntsypy, tekhnolohyy, prymenenyia. K.: Stal. 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.
https://doi.org/10.3390/s140100458
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.
https://doi.org/10.1016/j.ces.2009.12.001
9. Merkus H.G. Particle Size Measurements: Fundamentals, Practice, Quality. Springer. 2009. 533 p.
10. Kutia V. M. Analiz metodiv i zasobiv kontroliu dyspersnosti emulsii. Visnyk inzhenernoi akademii Ukrainy. 2013. № 3-4. S. 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.
https://doi.org/10.1098/rspa.1905.0039
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.
https://doi.org/10.1002/andp.19354160705
14. Azzam R. M. A., Bashara N. M. Ellipsometry and Polarized Light. Amsterdam: North-Holland. 1987. 583 p.
https://doi.org/10.1016/S0003-2670(00)82849-4
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:https://doi.org/10.15407/fm25.01.1.
https://doi.org/10.15407/fm25.01.158
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.
https://doi.org/10.1016/j.bios.2006.03.011
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.
https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.02.041
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.
https://doi.org/10.1016/j.bios.2007.04.009
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.
https://doi.org/10.1016/S0022-1759(97)00092-6
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.
https://doi.org/10.15407/iopt.2021.56.134
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.
https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(01)74449-9
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.
https://doi.org/10.1117/1.429968
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.
https://doi.org/10.1016/j.bios.2009.04.002
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.
https://doi.org/10.1016/j.bios.2009.09.016
26. Kryzhak L. M., Kalinina H. P. Problemy identyfikatsii ta vyiavlennia falsyfikatsii molochnykh produktiv. IKh Mizhnarodna naukovo-praktychna internet-konferentsiia. Poltava. Zbirnyk tez. 2022. S. 52-55.
27. Ingelfinger J.R. Melamine and the global implications of food contamination. N. Engl. J. Med. 359, №26. 2008. P.2745-2748.
https://doi.org/10.1056/NEJMp0808410
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.
https://doi.org/10.1177/104063870701900510
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.
https://doi.org/10.1149/2162-8777/ac1f71
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: https://doi.org/10.1007/s40820-018-0204-6.
https://doi.org/10.1007/s40820-018-0204-6
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.
https://doi.org/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.
https://doi.org/10.1016/j.talanta.2021.123074
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: https://doi.org/10.1007/s12161-020-01852-x.
https://doi.org/10.1007/s12161-020-01852-x
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.
https://doi.org/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: https://doi.org/10.1007/s13320-022-0658-5.
https://doi.org/10.1007/s13320-022-0658-5
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: https://doi.org/10.1038/s41598-018-29585-2.
https://doi.org/10.1038/s41598-018-29585-2
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.
https://doi.org/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.
https://doi.org/10.1016/j.bios.2010.06.012
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. .
https://doi.org/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: https://doi.org/10.1016/j.talanta.2022.123939.
https://doi.org/10.1016/j.talanta.2022.123939
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.
https://doi.org/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
ЗАСТОСУВАННЯ ПЛАЗМОНІКИ ДЛЯ АНАЛІЗУ ПОЛІДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ (ОГЛЯД)
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.