izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2026-2-86-95izmertech-2495Research ArticleНАНОМЕТРОЛОГИЯОптические наносенсоры для определения маркеров заболеваний и загрязнителей окружающей среды: новые подходы к построениюOptical nanosensors for detecting disease markers and environmental pollutants: new approaches to designhttps://orcid.org/0000-0001-6336-8900АленичевМ. К.AlenichevM. K.

Михаил Константинович Аленичев, научный сотрудник, лаборатория аналитической спектроскопии и метрологии наночастиц

119361, Москва, ул. Озёрная, 46

Mikhail K. Alenichev, Researcher, Laboratory of Analytical Spectroscopy and Metrology of Nanoparticles

119361, Moscow, Ozernaya st., 46

alenichev@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9087-952XЛевинА. Д.LevinA. D.

Александр Давидович Левин, д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник, лаборатория аналитической спектроскопии и метрологии наночастиц

119361, Москва, ул. Озёрная, 46

Aleksander D. Levin, Leading Researcher, Laboratory of Analytical Spectroscopy and Metrology of Nanoparticles

119361, Moscow, Ozernaya st., 46

levin-ad@vniiofi.ruЮшинаА. А.YushinaA. A.

Анна Андреевна Юшина, инженер, лаборатория аналитической спектроскопии и метрологии наночастиц

Researcher ID: ABP-6840-2022

119361, Москва, ул. Озёрная, 46

Anna A. Yushina, Engineer, Laboratory of Analytical spectrosCopy and Metrology of Nanoparticles

119361, Moscow, Ozernaya st., 46

Researcher ID: ABP-6840-2022

Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измеренийРоссияAll Russian Scientific and Research Institute for Optical and Physical MeasurementsRussian Federation202611052026752К 60-летию ВНИИОФИ8695Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20262026ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2495

Проведён обзор оптических наносенсоров – датчиков, которые преобразуют изменение свойств нанообъектов, помещённых в исследуемую среду и взаимодействующих с анализируемыми в ней молекулами, в аналитически полезную информацию. Данная информация содержит характеристики светового излучения и их изменение в результате различных оптических эффектов (абсорбции, флуоресценции, упругого и комбинационного рассеяния света и т. п.). Главные достоинства оптических наносенсоров – простота и экспрессность анализа, невысокая стоимость, возможность использования непосредственно на месте взятия пробы. Применение оптических наносенсоров открывает новые возможности в клинической лабораторной диагностике, в том числе в персонализированной медицине, при контроле продуктов питания и продовольственного сырья, для экологического мониторинга. Описаны принципы работы наносенсоров на основе динамического рассеяния света (сенсор на антибиотик в молоке и воде) и на совместном использовании статического и динамического рассеяния света (сенсор на возбудитель одной из грибковых инфекций). Представлены разработанные во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) подходы к построению рассматриваемых наносенсоров. Предложенные авторами подходы позволяют реализовать уменьшение размеров агрегатов наночастиц с увеличением концентрации аналита. Изложены принципы построения наносенсоров на основе эффектов флуоресценции. Представлен разработанный наносенсор на восстановленный глутатион (соединение, играющее важную роль в защите организма от окислительного стресса), использующий эффект восстановления под действием аналита потушенной флуоресценции квантовых точек. Обсуждены перспективы применения представленных подходов и дальнейшего развития оптических наносенсоров.

Optical nanosensors convert changes in the properties of nano-objects placed in the test medium and interacting with the molecules being analyzed into analytically useful information. This information includes the characteristics of light emission and their changes due to various optical effects (absorption, fl uorescence, elastic and Raman light scattering, etc.). The main advantages of optical nanosensors are the simplicity and rapidity of analysis, low cost, and the ability to be used directly at the sampling site. The use of optical nanosensors opens up new possibilities in clinical laboratory diagnostics, including personalized medicine, food and food raw material monitoring, and environmental monitoring. The operating principles of nanosensors based on dynamic light scattering are considered. New approaches for nanosensor design developed at All Russian Scientifi c and Research Institute for Optical and Physical Measurements (VNIIOFI) are described. These approaches reduce the size of nanoparticle aggregates with increasing analyte concentration (sensor for an antibiotic in milk and water) or utilize the combined use of static and dynamic light scattering (a sensor for a fungal pathogen). The operation principles of nanosensors based on fl uorescence effects are presented. A nanosensor developed for glutathione (a compound that plays an important role in protecting the body from oxidative stress) is presented. This nanosensor utilizes the analyte-induced reduction of quenched fl uorescence in quantum dots. Prospects for the application of the obtained results and the further development of optical nanosensors are discussed.

оптические наносенсорыдинамическое рассеяние светастатическое рассеяние светаквантовые точкинаночастицыфлуоресценциямаркеры заболеванийзагрязнители окружающей средымедицинская диагностикабиоспецифическая агрегацияантителаантибиотикинвазивный аспергиллезвосстановленный глутатионoptical nanosensorsdynamic light scatteringstatic light scatteringquantum dotsnanoparticlesfluorescencedisease markersenvironmental pollutantsmedical diagnosticsbiospecifi c aggregationantibodiesantibioticinvasive aspergillosisreduced glutathioneReferencesБурункова Ю. Э., Самуйлова Е. О. Сенсорные системы и материалы: учебное пособие. Университет ИТМО, Санкт-Петербург (2023). https://elibrary.ru/omwsslBurunkova Yu. E., Samujlova E. O. Sensory systems and materials: study guide. ITMO University, St Petersburg (2023). (In Russ.)Omiyale B. O., Ogbeyemi A., Zhang W., Ashraf M. A., Song K. Y. Nanosensors as diagnostic tools: emerging concepts, opportunities, and design barriers. Analytical Methods, 18(2), 238–281 (2026). https://doi.org/10.1039/D5AY01942G ; https://elibrary.ru/kllrssOmiyale B. O., Ogbeyemi A., Zhang W., Ashraf M. A., Song K. Y. Nanosensors as diagnostic tools: emerging concepts, opportunities, and design barriers. Analytical Methods. 18(2), 238-281 (2026). https://doi.org/10.1039/D5AY01942GMatmin J., Mohamad F., Wahab R. A., Hatta M. H. M. Advanced Optical Nanosensors. In: Ali G. A. M., Chong K. F., Makhlouf A. S. H. (eds.), Handbook of Nanosensors, pp. 747–782. Springer Cham (2024). https://doi.org/10.1007/978-3-031-47180-3_30Matmin J., Mohamad F., Wahab R. A., Hatta M. H. M. Advanced Optical Nanosensors. In: Ali G. A. M., Chong K. F., Makhlouf A. S. H. (ed.). Handbook of Nanosensors, pp 747–782. Springer Cham (2024). https://doi.org/10.1007/978-3-031-47180-3_30Yaraki M. T., Tan, Y. N. Recent advances in metallic nanobiosensors development: colorimetric, dynamic light scattering and fl uorescence detection. Sensors International, 1, 100049 (2020). https://doi.org/10.1016/j.sintl.2020.100049 ; https://elibrary.ru/jfuwfjYaraki M. T., Tan, Y. N. Recent advances in metallic nanobiosensors development: colorimetric, dynamic light scattering and fluorescence detection. Sensors International. 1, 100049 (2020). https://doi.org/10.1016/j.sintl.2020.100049Chen H., Zhang L., Hu Y., Zhou C., Lan W., Fu H., She Y. Nanomaterials as optical sensors for application in rapid detection of food contaminants, quality and authenticity. Sensors and Actuators B: Chemical, 329, 129135 (2021). https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.129135 ; https://elibrary.ru/bxtfi gChen H., Zhang L., Hu Y., Zhou C., Lan W., Fu H., She Y. Nanomaterials as optical sensors for application in rapid detection of food contaminants, quality and authenticity. Sensors and Actuators B: Chemical, 329, 129135 (2021). https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.129135Кораблев П. В., Ланда С. Б., Семенова Е. В., Филатов М. В. Динамическое светорассеяние – простой и чувствительный метод, позволяющий определять появление иммунных комплексов в биологических жидкостях. Биопрепараты. Профилактика, диагностика, лечение, (2(54)), 53–58 (2015). https://elibrary.ru/uckkrfKorabliov P. V., Landa S. B., Semionova E. V., Filatov M. V. Dynamic light scattering – a simple and sensitive method of determination immune complexes in biological liquids. Biopreparation (Biopharmaceuticals), 2(54), 53-58 (2015). (In Russ.)Levin A. D., Ringaci A., Alenichev M. K., Drozhzhennikova E. B., Shevchenko K. G., Cherkasov V. R., Nikitin M. P., Nikitin P. I. Dynamic light scattering biosensing based on analyte-induced inhibition of nanoparticle aggregation. Analytical and bioanalytical chemistry, 412(14), 3423–3431 (2020). https://doi.org/10.1007/s00216-020-02605-9 ; https://elibrary.ru/tvqlwyLevin A. D., Ringaci A., Alenichev M. K., Drozhzhennikova E. B., Shevchenko K. G., Cherkasov V. R., Nikitin M. P., Nikitin, P. I. Dynamic light scattering biosensing based on analyte-induced inhibition of nanoparticle aggregation. Analytical and bioanalytical chemistry, 412(14), 3423-3431 (2020). https://doi.org/10.1007/s00216-020-02605-9Левин А. Д., Филимонов И. С., Аленичев М. К., Гойдина Т. А. Математическое моделирование наносенсорных систем на основе динамического рассеяния света. Российские нанотехнологии, 13(7-8), 58–65 (2018). https://doi.org/10.1134/S1995078018040092 ; https://elibrary.ru/yqcwlbLevin A. D., Filimonov I. S., Alenichev M. K., Goidina T. A. Mathematical Modeling Of Nanosensor Systems Based On Dynamic Light Scattering. Nanotechnologies in Russia, 13(7-8), 58-65 (2018). (In Russ.) https://doi.org/10.1134/S1995078018040092Alenichev M. K., Levin A. D., Yushina A. A., Kostrikina E. S., Lebedin Y. S., Andreeva I. P., Grigorenko V. G., Krylov V. B., Nifantiev N. E. Nano-biosensor based on the combined use of the dynamic and static light scattering for Aspergillus galactomannan analysis. Sensing and Bio-Sensing Research, 35, 100475 (2022). https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2022.100475; https://elibrary.ru/rvfoesAlenichev M. K., Levin A. D., Yushina A. A., Kostrikina E. S., Lebedin Y. S., Andreeva I. P., Grigorenko V. G., Krylov V. B., Nifantiev N. E. Nano-biosensor based on the combined use of the dynamic and static light scattering for Aspergillus galactomannan analysis. Sensing and Bio-Sensing Research, 35, 100475 (2022). https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2022.100475Аленичев М. К., Юшина А. А., Дрожженникова Е. Б., Филимонов И. С., Баранова О. А., Чеканов А. В., Левин А. Д. Флуоресцентный наносенсор на коллоидных квантовых точках для определения восстановленного глутатиона. Измерительная техника, (9), 16–21 (2019). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-9-16-21 ; https://elibrary.ru/fdtbsiAttia M. S. Fluorescence based biosensors. In: Hasnain M. S., Nayak A. K., Aminabhavi T. M. (ed.). Fundamentals of Biosensors in Healthcare: Volume 1, pp. 265-313. Elsevier (2024). https://doi.org/10.1016/B978-0-443-21658-9.00024-3Attia M. S. Chapter 12 – Fluorescence based biosensors. In: Hasnain M. S., Nayak A. K., Aminabhavi T. M. (eds.), Fundamentals of Biosensors in Healthcare, 1, pp. 265–313. Elsevier (2024). https://doi.org/10.1016/B978-0-443-21658-9.00024-3Alenichev M. K., Yushina A. A., Drozhennikova E. B., Filimonov I. S., Levin A. D., Baranova O. A., Chekanov A. V. Fluorescent Nanosensors Based On Colloidal Quantum Dots For The Determination Of Reduced Glutathione. Izmeritel`naya Tekhnika, (9), 16-21 (2019). (In Russ.)Shen R., Zhang J., Huang W., Wu S., Li G., Zou S., Ling L. Dynamic light scattering and fl uorescence dual-signal sensing of cancer antigen-125 via recognition of the polymerase chain reaction product with gold nanoparticle probe. Analytica Chimica Acta, 1145, 87–94 (2021). https://doi.org/10.1016/j.aca.2020.11.005 ; https://elibrary.ru/rqquhwShen R., Zhang J., Huang W., Wu S., Li G., Zou S., Ling L. Dynamic light scattering and fluorescence dual-signal sensing of cancer antigen-125 via recognition of the polymerase chain reaction product with gold nanoparticle probe. Analytica Chimica Acta, 1145, 87-94 (2021). https://doi.org/10.1016/j.aca.2020.11.005Zhao L., Zeng Q., Ling L., Hu Y., Zhang J. Dual-mode biosensor of dynamic light scattering and surface-enhanced Raman spectroscopy based upon the cascade amplifi cation of CRISPR/Cas12a and hybridization chain reaction. Sensors and Actuators B: Chemical, 444, 138372 (2025). https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.138372 ; https://elibrary.ru/yerwikZhao L., Zeng Q., Ling L., Hu Y., Zhang J. Dual-mode biosensor of dynamic light scattering and surface-enhanced Raman spectroscopy based upon the cascade amplification of CRISPR/Cas12a and hybridization chain reaction. Sensors and Actuators B: Chemical, 444, 138372 (2025). https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.138372Taha B. A., Abdulrahm Z. M., Addie A. J., Haider A. J., Alkawaz A. N., Yaqoob I. A. M., Arsad N. Advancing optical nanosensors with artifi cial intelligence: A powerful tool to identify disease-specifi c biomarkers in multi-omics profi ling. Talanta, 287, 127693 (2025). https://doi.org/10.1016/j.talanta.2025.127693 ; https://elibrary.ru/gdsuldTaha B. A., Abdulrahm Z. M., Addie A. J., Haider A. J., Alkawaz A. N., Yaqoob I. A. M., Arsad N. Advancing optical nanosensors with artificial intelligence: A powerful tool to identify disease-specific biomarkers in multi-omics profiling. Talanta, 287, 127693 (2025). https://doi.org/10.1016/j.talanta.2025.127693

The authors declare that there are no conflicts of interest present.