УДК 621.383
Болтовец П.Н., Снопок Б.А.,
ДЯЧЕНКО Н.С., ШИРШОВ Ю.М.
ФУНКЦИАНАЛЬНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ И БИОЛОГИИ
Институт Физики Полупроводников, Национальная Академия Наук, Пр. Науки 45, Киев, 03028,
Украина, e-mail: snopok@isp.kiev.ua
Исследования биохимических процессов на молекулярном уровне в
значительной степени стали возможны благодаря достижениям сенсорного
приборостроения, в частности, на основе оптоэлектронных чувствительных
элементов использующих эффект поверхностного плазмонного резонанса (ППР).
Действительно, использование этого прямого, недеструктивного и количественного
метода дает возможность не только работы in situ без дополнительных
флуоресцентных или иных меток но и позволяет отслеживать молекулярные
процессы в реальном масштабе времени.
Несмотря на преимущества ППР преобразователей, два основных требования
существенно сдерживают широкое применение таких систем: (i) для обеспечения
максимальной чувствительности толщина чувствительного слоя должна быть много
меньше глубины проникновения электромагнитного поля (сa. 100-200 нм) во
внешнюю среду и (ii) биологические молекулы на поверхности должны сохранять
свои функции. Рассмотренные выше ограничения обуславливают необходимость
поиска ультратонких переходных слоев, обеспечивающих оптимальные условия для
функционирования рецепторных центров при сохранении высокой чувствитель-
ности, стабильности и технологичной совместимости с методами изготовления
чувствительных элементов.
Анализ функционирования сенсорных элементов биологических систем
позволяет выделить характерный для них адаптивный характер самого процесса
измерения, т.е. чувствительная система подстраивается в соответствии с
изменяющимся окружением для оптимального выполнения своей функции (smart
system). При этом конформация белка, его зарядовое состояние, состав сольватной

оболочки и ряд функциональных характеристик зависят от состояния и состава
среды в которой он находится.
В данной работе предлагается простой и удобный способ формирования
слоев,
обеспечивающих
оптимальные
условия
для
функционирования
иммобилизированных
рецепторных
центров
различного
происхождения,
основанный на формировании буферного нативного белкового слоя на химически
модифицированной роданидом поверхности золота.
Исследования проводили с использованием коммерчески доступного ППР -
спектрометра ПЛАЗМОН (геометрия Кречмана, источник возбуждения GaAs лазер,
=670 нм), разработанного в Институте Физики Полупроводников НАНУ, Киев.
Поскольку условия возбуждения поверхностных плазмонов на границе раздела
модифицированной золотой пленки (45 нм) и раствора высоко чувствительны к
малым изменениям коэффициента преломления в приповерхностной области,
процессы межмолекулярного взаимодействия проявляются как сдвиг резонансного
угла возбуждения в результате связывания или отрыва молекул из раствора с
иммобилизованными на поверхности чувствительного элемента рецепторными
центрами. Для случая формирования иммобилизационного слоя с использованием
биологического
активных
молекул
требование
минимальной
толщины
промежуточного слоя становится определяющим. Исходя из этого в качестве
модельной системы для формирования такого слоя выбран соевый ингибитор
трипсина (STI), - белок с молекулярной массой 21500 дальтон, состоящий из одной
полипептидной цепи содержащей 181 аминокислотный остаток. Несмотря на то, что
этот простой белок имеет жестко закрепленную пространственную структуру (чему
способствует наличие двух внутримолекулярных дисульфидных связей),
устойчивую к различного рода денатурационным воздействиям (i.e. изменения pH,
обработка в концентрированных растворах мочевины или гуанидинхлорида),
необходимы специальные меры для предотвращения денатурации этого белка на
поверхности металлов, в частности, золота.
Известно, что тиоционат (CNS) является кинетически и термодинамически
стабильными химическим соединением, реакционная способность CN группы
которого не приводит к денатурации белков. Кроме того, организованные

мономолекулярные покрытия тиоцианата могут быть получены простой и
технологичной обработкой поверхностей соответствующих металлов в его водном
растворе.
5
pK STI
160
CNS/H O
.
2
4
1200
л.с.
.сек 120
3
r
к, уг
I/T
к, угл
800
2
80
ST
кли
кли
отР
от
1
ПП 400
40
ППР
0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
3
4
5
6
7
8
9
0
pH
pH
0
400
800
1200
1600
Время, с.
Приведенные на рисунке зависимости ППР отклика на циклическое
замещение воды раствором CNS свидетельствуют о формировании стабильного
слоя роданида на поверхности золотой пленки. Химическая модификация
поверхности золота роданидом приводит к увеличению количества необратимо
связанного поверхностью STI, особенно в физиологически важной области рН от 5
до 7. При этом близкое к стехиометрическому (1:1) взаимодействие с трипсином
(Tr) в этой же области свидетельствует о сохранении нативной структуры белка при
таком способе иммобилизации. Интересно отметить, что для STI характерна малая
степень заполнения монослоя (ca. 15-30% от предельного заполнения). Такая
зависимость может быть объяснена электростатическим взаимодействием как
отдельных молекул друг с другом, так и с поверхностью (изоэлектрическая точка
для STI ~4.5). Действительно, как видно из рисунка, количество необратимо
связанного STI сильно зависит от величины рН.
В
данной
работе
рассмотрена
стратегия
для
формирования
иммобилизационного слоя для адаптивных чувствительных структур основанная на
создании слоя нативных биологических молекул на поверхности преобразователя в
качестве матрицы для иммобилизации рецепторных центров биологического
происхождения. Учитывая присущий даже простейшим молекулярным биосистемам
живых организмов адаптивный характер их поведения в различных биохимических
процессах можно надеяться, что закрепленные на этом слое рецепторные системы
различного
происхождения
с
использованием
стандартных
процедур
иммобилизации будут находиться в оптимальных условиях, сопоставимых с
таковыми на поверхностях биологических мембран.