| следующая статья ==>
Плёнки Ленгмюра-Блоджет (ЛБ - плёнки) хорошо видны в атомно-силовой микроскоп, с помощью которого удается получатьмолекулярное разрешение. В атомно-силовой микроскоп наблюдаются участки плёнки, на которых видны параллельные полоски, соответствующие цилиндрическим мицеллам (ламелям) жидкокристаллической фазы.
Рис. 8.8 Устройство пленки Ленгмюра-Блоджет и изображение ее поверхности, полученное с использованием АСМ. На основе таких пленок создают биосенсоры на бактерии и вирусы для диагностики различных заболеваний. В основе создания таких биосенсоров лежит закрепление биологически активных молекул, например ферментов или антител, на твердых субстратах. Одним из широко применяемых для этого методов является приготовление мономолекулярных плёнок по технологии Ленгмюра-Блоджет. Метод позволяет упорядочивать и ориентировать молекулы в монослоях заданным образом, обеспечивая максимальную эффективность работы биосенсора.
Боле высокого быстродействия можно добиться, если использовать в качестве носителя информации не электроны, а поток фотонов. Например, достаточно простая конструкция вычислительного устройства получается на основе использования оптических квантовых транзисторов на базе интерферометров Фабри-Перо.
В настоящее время реальной альтернотивой твердотельной электронике является молекулярная электроника. Природа создала самые разнообразные молекулы, выполняющие различные функции сложного организма: сенсорные; логико-аналитические; двигательные, запоминающие. Можно не создавать искусственные структуры, а использовать готовые строительные блоки.
Никакие, созданные человеком измерительные устройства не могут быть столь компактны, экономичны, чувствительны и универсальны как органы чувств животных, растений. Многое человек уже использует в практических целях из того, что создано природой. Например, способность живых существ анализировать запахи, примеси в воде и улавливать слабые энергетические воздействия. Биологические датчики могут использоваться, например, для прогноза природных явлений, биоиндикации различных физико-химических, технологических процессов и т.п. Животные чувствуют механические напряжения в материале, электромагнитные и акустические воздействия (рыбы чувствуют напряженность электрического поля в пределах нескольких мкВ на сантиметр).
В основе механизма чувствительности живых систем лежит способность под действием электромагнитных полей пространственной переориентации белковых молекул в мембранах клеток. Аналогичные процессы уже реализуются в технических устройствах, например, в жидких кристаллах, характеризующихся подвижностью и структурной упорядоченностью вещества. Но существуют еще большие проблемы изучения в изучении таких «живых приборов». В связи с этим в настоящее время проводятся исследования строения органов чувств животных, изучается биология клетки. Например, не решенной остается проблема морфогенеза (формообразования) живых систем.
Если раньше в основном ставилась задача воспроизведения в технике принципов действия живых систем, и это направление называлось бионикой (бионика – воспроизведение в технике принципов действия в живых системах), то сегодня создаются гибридные системы, состоящие из живых и неживых элементов, это направление называется биотехникой (биотехника – создание гибридных систем, биоэлементов).
В настоящее время в биофизике развивается три основных направления:
· молекулярная биофизика (белки, нуклеиновые кислоты);
· биофизика клетки (мембранные структуры клеток);
· биофизика сложных систем (с позиций физико-математического моделирования различных уровней самоорганизации).
Можно выделить следующие особенности развития биотехнологий:
· биологические материалы для микроустройств (белки, ферменты) дешевы, ресурсы биологических материалов практически неограниченны;
· развивается особая технология производства биологических микроустройств, принцип работы которых основаны на параметрических воздействиях на биоматериал;
· биоустройства способны преобразовывать энергию самых различных видов с использованием обратимых процессов, создавать хемомеханические и механохимические датчикис использованием раметрических воздействиях на материаллярные события, элементов. одвижностью и структурной упорядоченностью ср;
· КПД биопреобразователей приближаются к 100%, так как в них реализуются автокаталитические процессы превращения энергии;
· биопреобразователи обеспечивают регистрацию широкого спектра веществ при высокой чувствительности, благодаря чему удается регистрировать отдельные молекулярные события, при высокой избирательной способности устройств;
· биопреобразователи можно использовать многократно путем иммобилизации белков (нанесение белка на подложку);
· появилась перспектива создания набора типовых биомодулей;
· на основе биомодулей можно создать аналоговые, волновые быстродействующие устройства, способные качественно моделировать процессы в системах;
· широкий спектр применения биоустройств - химическое производство, сельское хозяйство, охрана окружающей среды, научные исследования.
В ближайшие годы ожидается создания нового класса приборов смешанного типа, включающих в себя живые датчики и ЭВМ. Физические основы создания измерительных устройств данного типа отражают физические особенности молекулярной организации и элементарных процессов в живых системах. Известно, что в основе процессов обмена клетки со средой и внутреннего метаболизма лежит сложная система организованных во времени и пространстве различных реакций (биологическая кинетика). При этом может, например, изменяться мембранный потенциал клетки. Эти процессы описывают системой дифференциальных уравнений, но есть и постоянные параметры (температура, влажность, рН, электропроводность).
Важную роль в работе биодатчиков играют процессы, происходящие в области мембраны. Биомембрану, представляющую собой липидный бислой, можно рассматривать как конденсатор, пластинами которого являются электролиты внутреннего и наружного слоев растворов. В основе механизма генерации биопотенциалов в клетках лежит перенос ионов через мембрану:
. (8.2)
Пассивный транспорт вещества через мембрану (без затрат энергии) обусловлен уменьшением энергии Гиббса (соответствует максимально достижимой работе при постоянных Р и Т среды) вследствие хаотического теплового движения молекул из области с большой концентрации в область с меньшей концентрацией вещества. Такое перемещение вещества обусловлено стремлением системы к равновесному состоянию, стремлением к возрастанию энтропии в системе. Существует несколько способов перемещения вещества в биообъектах.
Фильтрация – это движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления.
Осмос – это движение воды из области меньшей концентрацией раствора в область с большей его концентрацией.
Диффузия ионов через клеточную мембрану приводит к изменению их концентрации между внутренней и наружной областями, что обусловливает появление разности потенциалов.
Потенциал действия – электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны, связан с распространением волны возбуждения по нерву. При этом изменяется соотношение концентрации ионов между внешней и внутренней областями клетки:
, . (8.3)
Посредством электрических нервных импульсов (потенциалов действия) в живом организме передается информация от рецепторов к нейронам мозга. Живой организм является полностью электрофицированной системой.
В основе элементной базы биодатчиков лежит использование белков в качестве цепи электронного транспорта (ЦЭТ). Физической основой электронного транспорта в белках является туннельный механизм переноса электрического заряда, аналогичный моноэлектронному эффекту туннелирования зарядов в диэлектриках.
Линейная структура макромолекулы за счет соединения белков, имеющих «липкие» концы.
Рис. 8.9 Структура белка
Таким образом, на основе белковой инжекции создают сложные соединения из различных белков. Иммобилизированные белковые кристаллы являются материалом для создания биосенсоров. Но использование белков в качестве элементной базы туннельной микроэлектроники сопряжено с наличием определенного психологического барьера. Дело в том, что такие устройства получают из живых организмов. Потребуется также и другая культура производства таких устройств, связанная с необходимостью обеспечения стерильности производства, герметичности изделий, особых условий их эксплуатации (рабочая температура – до 100°С) и т.п.
| следующая статья ==>