Оптические наносенсоры для определения маркеров заболеваний и загрязнителей окружающей среды: новые подходы к построению

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.

1. Бурункова Ю. Э., Самуйлова Е. О. Сенсорные системы и материалы: учебное пособие. Университет ИТМО, Санкт-Петербург (2023). https://elibrary.ru/omwssl

2. 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/kllrss

3. Matmin 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_30

4. Yaraki 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/jfuwfj

5. Chen 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 g

6. Кораблев 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/uckkrf

7. 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/tvqlwy

8. Левин 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/yqcwlb

9. Alenichev 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/rvfoes

10. Аленичев 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/fdtbsi

11. Attia 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/B978-0-443-21658-9.00024-3

12. 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/rqquhw

13. Zhao 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/yerwik

14. Taha 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/gdsuld