|
Сенсорные устройства, в которых рецепторным слоем являются биологические
природные соединения, называются биосенсорами. Как правило, в подобных системах
используются механизмы молекулярного распознавания «ключ–замок», обеспечивающие
естественную селективность к определенным типам веществ. По типу распознавания
веществ биологические сенсоры можно разделить на три группы [81]: биокаталитические,
афинные и датчики на основе надмолекулярных структур.
К биокаталитическим сенсорам относятся системы, имеющие схему связывания
типа
B + A = BA + P (15)
где B – биомолекула сенсороного слоя, А – молекула анализируемого вещества, Р –
продукт реакции. При биокаталитическом типе распознавания молекулы рецепторного
слоя взаимодействуют с распознаваемым веществом, при этом в результате данной
реакции возникает новый продукт, использующийся как часть механизма преобразования
биологической реакции в контролируемый отклик. Примером биосенсоров являются
датчики на глюкозу, реализованные на базе микромеханических систем [82-85]: на
поверхность кантилевера наносится люкозаоксидаза, которая при взаимодействии с
глюкозой ее окисляет и образует глюконовую кислоту:
В зависимости от морфологии рецепторного слоя кантилевера результат данной реакции
может генерировать аналитический сигнал датчика несколькими способами. Первый
способ заключался в создании рецепторного слоя, состоящего из матрицы полиакрилового
гидрогеля, в которую были включены молекулы глюкозаоксидазы [82]. При
взаимодействии фермента с глюкозой происходит образование ионных продуктов
(глюконов и протонов) внутри полимерного геля, которые приводят к его набуханию,
вызывающему изгиб балки. Во втором случае глюкозаоксидаза наносилась на
поверхность кантилевера посредством многоуровневой пришивки [83,84]. Во время
протекания ферментативной реакции на поверхности кантилевера фермент изменил
конформацию, что привело к изгибу балки. Третий способ контроля ферментативной
реакции заключался в измерении ее теплового выхода с помощью биметаллического
кантилевера [85], однако чувствительность такой системы оказалась достаточно низкой.
Следует отметить, что во всех случаях в рецепторном слое датчика не наблюдалось
необратимых изменений, при которых молекулы анализируемого вещества переставали
бы реагировать с молекулами биосенсора. После уменьшения концентрации
анализируемого вещества кантилевер релаксировал в исходное состояние без
дополнительных процедур регенерации. Наиболее чувствительным датчиком определения
глюкозы оказался кантилевер с полимерным покрытием [82], позволявший определять
глюкозу в 2 мМ растворе объемной концентрации. Описанные анализаторы имели
высокую степень селективности к мономерам глюкозы в противоположность к другим
сахарам: маннозе, галактозе и фруктозе.
Более распространенным классом биосенсоров с механическими трансдьюсерами
являются датчики с афинным типом связывания, в которых реакция, происходящая
внутри рецепторного слоя, не приводит к появлению новых продуктов, а образует
устойчивый комплекс молекул рецептора с молекулами анализируемого вещества,
процесс образования которого описывается реакцией:
B + A = BA (17)
B – биомолекула сенсороного слоя, А – молекула анализируемого вещества. Механизм
отклика рецепторного слоя напрямую зависит от свойств конечного продукта ВА. К
сенсорам с биоафинным типом связывания можно отнести иммунохимические датчики,
основанные на взаимодействии антитела с антигеном.
Антиген-антитело-сенсоры на основе микромеханических систем относятся к
гетерогенным (твердофазным) методам иммуноанализа [23], которые можно разделить на
два класса. Первый класс относится к системам, использующим дополнительные метки,
благодаря которым вырабатывается аналитический сигнал связывания, а системы второго
класса (label-free) способны вырабатывать аналитический сигнал непосредственно при
образовании иммунного комплекса. В резонансных микромеханических системах для
выработки большего аналитического сигнала обычно используют высокомолекулярные
массивные антигены, резко увеличивающие массу рецепторного слоя [87], а в некоторых
системах для усиления применяют специальные магнитные метки [27]. Преимущества
кантилеверных иммунохимических сенсоров, вырабатывающих отклик непосредственно
на процесс связывания очевидны, так как количество стадий анализа сокращается на одну,
и появление сигнала происходит напрямую. В работе [88] был предложен способ прямого
анализа простатоспецифичного антигена с помощью микрокантилеевров.
Чувствительность, достигнутая данной системой, составила 0.2 нг/мл, при скорости
анализа около часа. В работе [89] был описан иммунохимический датчик на молекулы 2,4-
2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (дефолианта), иммобилизованные на поверхности
кантилевера как конъюгат с бычьим сывороточным альбумином. После добавления в
систему 5 мг/мл моноклональных антител к данному гербициду кантилевер в течение 3
минут изгибался в сторону рецепторного слоя с силой 24 мН/м, свидетельствуя о том, что
антитела инициируют стягивание между молекулами конъюгата. Позднее была
опубликована статья [90], в которой описывалось взаимодействие миоглобина,
биологического маркера инфаркта миокарда, с антителами к нему, привитыми золотой
поверхности кантилевера. Было показано, что при инкубации в растворе гормона
происходит изгиб балки, который связывается с сорбцией миоглобина на поверхности и
образованием иммунных комплексов. Чувствительность представленного иммуносенсора
составила порядка 85нг/мл (физиологическая концентрация), а время отклика – 0,5 ч, т.е.
данный анализатор подтвердил клиническую применимость. Другая группа [91], проводя
смежные разработки высокочувствительных методов определения биологических
маркеров инфаркта миокарда – миоглобина и кератинкеназы – в крови человека,
установила, что во избежание неспецифического связывания кремневую поверхность
кантилевера, свободную от антител, необходимо блокировать молекулами белка,
например БСА. Позднее была продемонстрирована селективность моноклональных
антител D- и L-α-аминокислот к энантиомерам α-аминокислот [92]. Исследователями
также было показано, что датчик на основе двух кантилеверов, модифицированных
антителами к D- и L- изомерам аминокислот, может служить как дискриминатор
аминокислотных оптических изомеров и как детектор энантиомерных примесей.
Гибридизация комплиментарных пар олигонуклиотидов является также афинным
взаимодействием, которое активно используется в сенсорных биомедицинских
технологиях для диагностики наследственных заболеваний, опасных заражений
организма, а также для контроля качества продуктов питания, произведенных с помощью
технологии генной инженерии [81]. Процессы гибридизации комплиментарных пар ДНК-
олигомеров недавно стали исследоваться с применением микромеханических систем [93-
100]. Так же, как и в методе иммунного анализа, для анализа ДНК с помощью
резонансных кантилеверов используют массовые метки большой массы – золотые
наночастицы [93]. В работе [93] для обнаружения олигомера ДНК определенной
последовательности комплиментарный ему олигонуклеотид разделяли на две части. Затем
одну часть иммобилизировали на золотую поверхность кантилевера, а другую на золотые
наночастицы, находящиеся в растворе в виде коллоидной взвеси. После гибридизации
комплиментарных нуклеотидов искомой ДНК с нуклиотидами, закрепленными на
кантилевере, к негибридизованному участку искомой молекулы аналогичным способом
присоединялся олигонуклеотид с массовой меткой. Датчик оказался восприимчивым к
значениям концентрациям в растворе искомой ДНК 0.05 нМ со временем реакции
порядка нескольких минут. Более широкое распространение получили силовые
кантилеверные сенсоры, фиксирующие изменения сил в рецепторном слое в результате
гибридизации ДНК на поверхности сенсора [94]. Одной из первых работ по этой теме
явилась статья [34], в которой описывались эксперименты по гибритицации олигомеров
ДНК имеющих, 12 пар оснований, и сообщалось, что они создают давление в слое
порядка 5 мН/м - на два порядка меньшее по отношению к давлению, возникающему в
результате хемисорбции низкомолекулярных тиолов на поверхность золота. В работе
Марии Рудольф [95] для исследования изотерм сорбции SH модифицированных 25-
мерных олигонуклиотидов на золотой поверхности применялся пьезорезистивный
кантилевер. Было показано, что монослой ДНК-олигомеров создает поверхностное
давление, вызванное межмолекулярными силами отталкивания. Рассчитанное изменение
свободной энергии поверхности, связанное с образованием монослоя, составило –32.4
кДж/М, что соответствовало более ранним независимым данным для сорбции
нуклеотидов двойной спирали ДНК на поверхность, показавшим изменение свободной
энергии равное –34.6 кДж/М [96]. Подробный анализ причин отклонения кантилевера в
процессах иммобилизации и гибридизации нуклеотидов ДНК проводился
исследователями Калифорнийского университета [97], которыми было экспериментально
доказано, что в процессе гибридизации цепей ДНК, привитых на поверхность, с пробными
цепями из раствора присутствуют два конкурирующих эффекта. С одной стороны, при
гибритизиции ДНК и переходе ее в спиралевидную форму сегмент Куна молекулы
возрастает от 0.75 нм (два нуклеотида) до 50-80 нм [97], т.е. происходит резкое
уменьшение конфигурационной энтропии, в результате которого силы отталкивания
между молекулами уменьшаются. С другой стороны, при образовании двойной спирали
ДНК из-за увеличения числа фосфатных групп PO4
3- повышается ее отрицательный заряд,
вызывающий силы отталкивания. Доминирование энтропийного или электростатического
фактора определялось длиной олигомеров, их плотностью прививки к поверхности на
стадии иммобилизации, а также ионной силой раствора, т. е. степенью дебаевской
экранировки молекул в процессе гибридизации. Интересно, что авторы распространяют
свою гипотезу и на другие типы межмолекулярных взаимодействий, протекающих на
поверхности: ДНК–РНК, ДНК–белок, лиганд–белок, в том числе антиген–антитело.
Распространенным типом афинных взаимодействий являются взаимодействия по
типу лиганд–рецептор [49,89,97,102,105]. В работе [97] описывается эксперимент
взаимодействия биотина, иммобилизованного на поверхности кантилевера с
нейтравидином, находящимся в растворе. Экспериментально показано, что
взаимодействие биотина с нейтравидином вызывает повышение давления в
поверхностном слое рецептора. На основании результатов, представленных в статье [102],
следствием которых является независимость силы связывания двух молекул биотина и
авидина от конформационных изменений энтропии, авторы [97] высказали
предположение, что поверхностная сорбция нейтравидина может сопровождаться только
увеличением давления в рецепторном слое, которое подтверждается экспериментом. В
работе [89] также было экспериментально подтверждено, что взаимодействие
стрептавидина концентрацией (6 мг/мл) с биотином, иммобилизированным на одной из
сторон кантилевера, инициирует поверхностное давление, вызывавшее изгиб кантилевера
до 50 нм за время порядка 10 минут. Моулин [80] исследовал природу латеральных сил в
белковых слоях, возникающих в результате сорбции белков на гидрофильную золотую
поверхность кантилевра. Для избежания неспецифического связывания кремниевая
поверхность кантилевера блокировалась короткоцепными гидрофобными алкильными
молекулами. Было установлено, что при сорбции иммуноглобулина на золотую сторону
кантилевера белковая пленка изгибала датчик в направлении блокированной поверхности,
а при сорбции белка БСА, - в противоположную сторону, что связывалось с гидрофобным
и гидрофильным балансом в системе белок–поверхность–растворитель.
Современным и перспективным направлением в развитии избирательных реакций
являются аптамеры – нуклиотиды, которые можно искусственно синтезировать такими
образом, чтобы они связывали определенное заданное вещество [105]. В работе [105] был
представлен анализатор на основе аптамеров, определяющий фермент ДНК-полимеразу.
Тестирование степени селективности датчика производилось на продуктах лизиса
бактерий Escherichia coli. При помещении кантилевера в раствор лизата в системе не
наблюдалось никаких изменений, а после добавления 50 пМ (4.7 нг/мл) ДНК-полимеразы
был выявлен резкий аналитический сигнал силового отклонения микроконсоли в течение
нескольких минут.
Интересными являются также биологические приложения, использующие
микрокантилеверные датчики на основе надмолекулярных структур [86, 103, 104]. Карин
Г. Феллер [103,104] использовал коммерчески доступные кантилевры для определения
скорости роста бактерий на их поверхности в зависимости от концентрации антибиотика.
Кантилеверы предварительно покрывались слоем арагозы и на 10 минут помещались в
растворы, содержащие бактерии Escherichia coli XL1-Blue с канамицином – антибиотиком,
замедляющим рост бактерий, и без антибиотика. После этого производился мониторинг
увеличения массы кантилевера с помощью контроля его резонансной частоты. Оказалось,
что на поверхности балки, модифицированного бактериальными клетками из среды без
антибиотика, число бактерий в течение часа увеличилось на 8000, а на кантилевере с
бактериями, угнетенными антибиотиком, прироста массы не наблюдалось. Рост бактерий
происходил на поверхности арагозы в условиях 97%-ной влажности при температуре 37
°С. В процессе деления клеток бактерии брали воду и питательные вещества из
поверхностного слоя арагозы, при этом слой постоянно восполнял недостаток воды за
счет водяных паров среды, из-за чего масса системы в целом суммарно увеличивалась.
В работе был [86] описан сенсор на базе кантилеверных преобразователей,
определявший по смещению резонансной частоты процесс прорастания спор плесневых
(Aspergillus niger) и дрожжевых (Saccharomyces cerevisiae) грибков, иммобилизованных на
поверхности посредством иммунохимической реакции. При определенных условиях (27
°С и 97%-ой влажности) споры, вбирая влагу из водяных паров окружения, практически
полностью прорастали за 4 часа, что определялось сдвигом резонансной частоты
кантилевера Δf2 (Рис. 1.20.).
Рис. 1.20. Амплитудно-частотные
характеристики кантилевера: (A) до
иммобилизации спор, (Б) после
иммобилизации и (В) после
прорастания спор на поверхности
кантилевера.
На данный момент технологии позволяют создавать МЭМС, способные измерять
отдельные вирусные частицы с чувствительностью 10-19 г/Гц [111] (рис. 1.21а). В работе
[112] было экспериментально продемонстрировано измерение массы вируса вакцины
оспы 9.5 фг с использованием кантилевера шириной 1.8 мкм и длиной 4 мкм (рис. 1.21б).
Рис. 1.21. (а)
Микрокантилеверы с
чувствительностью
измерения массы 10-19
г/Гц [112], (б)
кантилевер, способный
измерить массу одной
вирусной частицы
[111].
За последнее десятилетие произошел критический прорыв в разработке
микромеханических сенсорных систем c рекордными показателями чувствительности по
массе [111] и количества связавшегося анализируемого вещества [55]. Данные системы
используют принципиально новый метод преобразования биохимических реакций в
аналитический сигнал через статические деформации, возникающие в результате,
тепловых, электростатических и энергетических эффектов внутри рецептного слоя и
структур МЭМС. Микрокантилеверные системы, имея широкий спектр операционных
режимов: статический, динамический, контроль добротности и амплитуды
аналитического сигнала, являются полноценным дополнением их хорошо известных
аналогов: электрохимических, оптических и акустических датчиков. Кроме того,
комбинации различных схем регистрации аналитического сигнала МЭМС позволяют
оптимизировать их работу практически в любой среде [6]: вакууме, газовых и жидких
фазах вещества. Микроскопические размеры сенсорных устройств позволяют понизить
предел их чувствительности до размеров отдельных бактерий [10] и вирусных частиц
[111,112], а также осуществлять мониторинг интенсивности ИК излучения [51] и
экзотермических (эндотермических) поверхностных реакций [4,85] с высоким
разрешением. МЭМС, совмещенные с интегральными микросхемами в одном чипе по
своим размерам не превосходят 1 мм [45,68], такие размеры сенсорных единиц позволяют
интегрировать их в 1D [13,31,54,63,66] и 2D [56] массивы высокопроизводительных
селективных датчиков, функционирующих по принципу электронного носа, потребность в
которых неуклонно возрастает.
Таким образом, можно заключить, что будущее развитие нанотехнологических
биосенсоров, способных измерять массу отдельных вирусных частиц и ничтожные
напряжения в молекулярных пленках опирается на микрокантилеверные системы, уже на
данный момент демонстрирующие непревзойденную чувствительность и простоту
методов прямого анализа. Основанные на методе связывания анализируемого вещества с
рецептороным слоем, микрокантилеверные системы открывают новые направления в
исследовании межмолекулярных взаимодействий в биополимерных пленках.
Выбор и обоснование оптимального варианта
направления исследований
По данным обзора касающимся применения микрокантилеверов в качестве
датчиков, можно сделать вывод, что за последнее десятилетие произошел критический
прорыв в разработке микромеханических сенсорных систем c рекордными показателями
масс чувствительности и количества связавшегося аналита. Данные системы используют
принципиально новый метод преобразования биохимических реакций в аналитический
сигнал через статические деформации, возникающие в результате, тепловых,
электростатических и энергетических эффектов внутри рецептного слоя и структур самих
МЭМС. Микрокантилеверные системы, имея широкий спектр операционных режимов:
статический, динамический, контроль добротности и амплитуды аналитического сигнала,
являются полноценным дополнением их хорошо известных аналогов:
электрохимических, оптических, и акустических датчиков. Кроме того, комбинации
различных схем регистрации аналитического сигнала МЭМС позволяют оптимизировать
их работу практически в любой среде: вакууме, газовых и жидких фазах вещества.
Микроскопические размеры масс сенсорных устройств позволяют понизить предел их
чувствительности до массы отдельных бактерий и вирусных частиц, а также осуществлять
мониторинг интенсивности ИК излучения и экзотермических (эндотермических)
поверхностных реакций с высоким разрешением. МЭМС, совмещенные с интегральными
микросхемами в одном чипе по своим размерам не превосходят 1 мм, такие размеры
сенсорных единиц позволяют интегрировать их в 1D и 2D массивы
высокопроизводительных селективных датчиков функционирующих по принципу
электронного носа, потребность в которых неуклонно возрастает.
Сейчас в России и за рубежом ведутся активные исследования в области создания
"электронного носа" и "электронного языка" – искусственных измерительных систем,
действующих подобно органам человека – носу и языку. Актуальна задача создания
экстренной прикроватной диагностики пациентов, которую затруднительно реализовать
без непрерывного контроля веществ в средах, содержащих посторонние примеси.
Примерами устройств, с помощью которых можно организовать такой контроль, могут
служить кварцевые микровесы или системы поверхностного плазмонного резонанса,
однако остается нерешенной проблема неспецифического связывания в случае их
использования для анализа веществ в многокомпонентных средах.
Существенная, не имеющая альтернативных аналогов особенность кантилевера –
способность прямого измерения натяжения в пленках, помещенных на одну из его сторон.
В этом случае степень влияния неспецифического связывания на аналитический сигнал
следствие низких энергий неспецифических связей и, следовательно, их незначительного
вклада в поверхностное натяжение рецепторной пленки, заметно уменьшается [10].
Благодаря этому получаемая о состоянии исследуемых объектов информация
оказывается уникальной и, вообще говоря, отличается от той, которую дают
распространенные методы анализа массы, оптических и электрических свойств пленок.
Уникальность информации состоит в том, что она непосредственно характеризует
энергию межмолекулярных взаимодействий внутри пленки, преобразующуюся в
статический изгиб кантилевера (энергию аналитического сигнала). Поверхностные силы в
молекулярных пленках на твердых подложках могут быть обусловлены
электростатическим взаимодействием отдельных молекул или их комплексов. Поэтому
кантилеверы можно выделить в качестве нового класса прямых преобразователей
биохимических веществ , имеющих особые перспективы в областях где требуется
непрерывный контроль биохимических агентов в жидкости. Частным случаем
применения микрокантилеверов может быть, осуществление контроля уровня
лекарственных препаратов в физиологических жидкостях человека в экстренной
прикроватной диагностики.
На базе кантилеверов возможно создание широчайшего набора различных по своей
архитектуре датчиков, одной из конструктивной частей которых является рецептор. На
данный момент, рассмотренные в обзоре примеры применения кантилеверов за
некоторыми исключениями носят несколько иллюстративный характер, что связано,
скорее всего, с новизной метода и отсутствием полноты понимания принципов
формирования поверхностного натяжения в рецепторных пленках. В связи с этим было
предложено провести дополнительные эксперименты, для и испытания разработанной в
рамках НИР лабораторной установки и получения новых данных о принципах
формирования рецепторов микрокантилеверных датчиков.
Материалы и методы
Как упоминалось в разделе 1.1.4, для получения информации о величине смещения
кантилевера необходима специальная система считывания, обеспечивающая перевод
реальных значений отклонений кантилевера в сигнал электрического тока. С этой целью
использовалась лазерно-оптическая система, по техническим параметрам наиболее
подходящая для реализации задач настоящей работы, заимствованная из атомно-силового
микроскопа ФемтоСкан [169]. Прибор представляет собой головную часть АСМ
ФемтоСкан в совмещении со специально разработанной нами газово-жидкостной камеры.
РАзработанное устройство (рис. 2.2) обеспечивает измерение величины
статического изгиба кантилевера:
Рис. 2.1. Схема технической реализации определения статических отклонений
кантилевера.
Отклонения кантилевера, фиксируемые с помощью системы лазер-фотодиод,
преобразуются в сигнал постоянного электрического тока, который поступает на
усилитель. На выходе усилителя аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код и
обрабатывается программными средствами «ФемтоСкан Биолайн» [202].
Герметичная камера с прозрачным окном, созданная в рамках НИР, предназначена
для обеспечения функционирования кантлевера в сильных растворителях, кислотах и
основаниях. Материалом камеры и держателя кантилевера является тефлон. В качестве
прозрачного окна использовалось стандартное покровное стекло, которое с помощью
круглой металлической пластинки с концентрическим отверстием в центре
впрессовывалось в тефлон и закреплялось на нем болтами (рис. 2.3).
Рис. 2.2. Сборка жидкостной ячейки, содержащей кантилевер (слева),
универсальная микрокантилеверная сенсорная система [16] (справа).
Материалы и методы
В калибровочном эксперименте использовались кантилеверы CSG01
(Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им.
Ф.В.Лукина, НИИФП), которые в настоящей работе использовались во всех
экспериментах, использующих статический режим измерения сил в пленках.
Характеристики кантилевера CSG01 представлены в табл. 2.5.
Таблица 2.3. Изображение кантилевера CSG01 и его параметры.
Калибровка производилась с использованием атомно-силового микроскопа
ФемтоСкан [169]. Схема калибровочного эксперимента представлена на рис. 2.12.
Основной целью эксперимента являлось определение степени отклика
фотодетектирующей системы устройства на калибровочное смещение зонда в
зависимости от интенсивности лазерного пучка, отраженного от кантилевера, как
показано на рис. 2.4. Наноперемещения кантилевера осуществлялись с помощью
пьезосканера (пьезотрубки) атомно-силового микроскопа, калиброванного на
специальных тестовых решетках. В качестве образца, использовалась жесткая кремниевая
пластина для исключения эффекта продавливания подложки иглой кантилевера, который
в этом случае занижал бы величину собственных деформаций относительно величины
вертикальных смещений пластинки. Оптический путь отраженного пучка (80 мм) от
кантилевера, когда он находится в камере (см. рис. 2.2), был сохранен в настоящем
эксперименте с точностью до 0,3 мм для обеспечения одинакового коэффициента
усиления системы.
Рис. 2.4. Схема калибровки оптической системы
считывания наноперемещений кантилевера.
Физические основы акустоэлектроники Акустоэлектроника - раздел акустики, на стыке акустики твердого тела, физики полупроводников и радиоэлектроники.
Акустоэлектроника занимается исследованием принципов построения ультразвуковых устройств для преобразования и обработки радиосигналов. Преобразование СВЧ-сигнала в звуковой, длина волны которого в раз меньше, значительно облегчает его обработку. Для выполнения операций над сигналами используются взаимодействие ультразвука с электронами проводимости, электромагнитными полями, оптическим излучением, а также нелинейное взаимодействие акустических волн. Акустоэлектронные устройства позволяют производить различные операции над сигналами: преобразования во времени (задержку сигналов, изменение их длительности), частотные и фазовые (сдвиг фаз, преобразование частоты и спектра), изменение амплитуды (усиление, модуляция), а также более сложные функциональные преобразования (интегрирование, кодирование и декодирование, получение функций свертки, корреляции сигналов и т. д.). Выполнение таких операций часто необходимо в радиолокации, технике дальней связи, системах автоматического управления, вычислительных и др. радиоэлектронных устройствах. Акустоэлектронные методы в ряде случаев позволяют осуществлять эти операции более простым и рациональным способом.
В акустоэлектронных устройствах используются УЗ-волны высокочастотного диапазона и гиперзвуковые волны (от 10 МГц до 10 ГГц), как объемные (продольные и сдвиговые), так и поверхностные. Основным преимуществом поверхностных акустических волн (ПАВ) является доступность волнового фронта, что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точках звукопровода, а также управлять характеристиками устройств; поэтому большинство устройств выполняется на ПАВ.
Общие параметры акустоэлектронных устройств: рабочая частота f, полоса частот , полные вносимые потери В и время обработки сигнала . Значения f и определяются в основном характеристиками электроакустических преобразователей, - размерами звукопровода и скоростью звука в нем, а В - потерями на двойное преобразование, отражение и поглощение звука. Важным параметром акустоэлектронных устройств является информационная емкость, определяемая как .
По физическим принципам, лежащим в основе работы, и по назначению акустоэлектронные устройства можно разделить на пассивные линейные устройства, в которых производится линейное преобразование сигнала (линии задержки, фильтры и др.), активные линейные устройства (усилители и генераторы сигналов) и нелинейные устройства, где происходят генерация, модуляция, перемножение и др. преобразования сигналов.
Элементы акустоэлектроники. Всякое акустоэлектронное устройство состоит из простейших элементов - электроакустических преобразователей и звукопроводов. Кроме того, применяются отражатели, резонаторы, многополосковые электродные структуры, акустические волноводы, концентраторы энергии и фокусирующие устройства, а также активные, нелинейные и управляющие элементы.
Для возбуждения и приема объемных волн в акустоэлектронике используются пьезоэлектрические преобразователи: пьезоэлектрические пластинки (на частотах до 100 МГц), пьезополупроводниковые преобразователи с запирающим или диффузионным слоем (в диапазоне частот 50-300 МГц), пленочные преобразователи (на частотах выше 100 МГц). Гиперзвуковые волны часто возбуждаются с поверхности пьезоэлектрического звукопровода, торец которого для этих целей помещают в зазор СВЧ-резонатора или замедляющую СВЧ-систему. Для возбуждения и приема ПАВ используются главным образом встречно-штыревые преобразователи (рис. 1, а), представляющие собой периодическую структуру металлических электродов, нанесенных на пьезоэлектрический кристалл.
В качестве звукопроводов для акустоэлектронных устройств применяются монокристаллы диэлектриков, пьезоэлектриков, полупроводников - в зависимости от назначения и характеристик устройства (кварц, сапфир, ниобат лития и др.). Для изменения направления распространения акустического пучка в УЗ-линиях задержки и др. устройствах применяются отражатели: для объемных волн - хорошо отполированные свободные плоские поверхности звукопровода, для ПАВ - решетки с периодом d из металлических или диэлектрических полосок или канавок в звукопроводе (рис. 1, б, в), установленные перпендикулярно или наклонно к падающей волне. Интерференция ПАВ от большого числа отражателей позволяет получить высокий коэффициент отражения Kотр в узкой полосе частот, так, при 100 полосках Kотр достигает 98% в узкой полосе с центральной частотой , где cп - скорость ПАВ.
Отражение объемных акустических волн от граней кристаллов позволяет создавать пьезокристаллические монолитные или пленочные резонаторы. Наиболее широко используются кварцевые резонаторы в диапазоне частот 0,5-30 МГц, их добротность достигает . Напылением тонких эпитаксиальных пьезоэлектрических пленок CdS, ZnO или AlN на диэлектрическую подложку создают резонаторы на частоты до 10 ГГц.
Системы отражателей для ПАВ позволяют создавать резонаторы с добротностью ~и низкими вносимыми потерями (5 дБ) в диапазоне частот 30-1000 МГц. В этом случае между отражателями 2 (рис. 2) создается стоячая поверхностная волна, которая возбуждается и принимается преобразователем 1. Добротность такого резонатора определяется коэффициентом отражения ПАВ от отражателей и ее поглощением в звукопроводе.
Разновидностью отражателей для ПАВ являются многополосковые электродные структуры (МЭС), состоящие из однородной незамкнутой периодической системы металлических полосок (рис. 3), расположенных перпендикулярно направлению распространения ПАВ. В МЭС падающая волна занимает лишь половину их апертуры (канал I). При достаточной длине МЭС это приводит к тому, что волна, распространяющаяся в канале I, возбуждает связанную с ней моду колебаний в канале II, чем достигается направленное ответвление волны. МЭС позволяют создавать направленные ответвители ПАВ, расширять и сжимать пучки ПАВ, изменять траектории пучков, создавать эффективные отражатели ПАВ, однонаправленные преобразователи и т. д.
Частным случаем звукопроводов являются акустические волноводы. На объемных волнах они представляют собой полоски, ленты или проволоку, в которых возбуждаются определенные моды. Такие волноводы служат в качестве линий задержки на большие времена или в качестве дисперсионных линий задержки, если волноводы возбуждаются на модах, обладающих заметной дисперсией. В случае ПАВ волноводы представляют собой металлические или диэлектрические полоски (рис. 4) определенных размеров и сечений. Волноводы служат для канализации энергии ПАВ, изменения их направления распространения, увеличения времени задержки и т. д.
Концентраторы - звукопроводы переменного сечения, которые служат для увеличения плотности энергии УЗ-волн и для ввода энергии в акустические волноводы. Для ПАВ - это металлическая или диэлектрическая полоска переменного сечения (рис. 5).
В качестве активных акустоэлектронных элементов используются пьезополупроводниковые монокристаллы, пьезополупроводниковые пленки или слоистые структуры "пьезоэлектрик-полупроводник". В активных элементах происходит взаимодействие УЗ с электронами проводимости, что позволяет их использовать для усиления и генерации волн, для управления их амплитудой и фазой.
В качестве нелинейных элементов применяются диэлектрические звукопроводы с большими акустическими параметрами нелинейности, пьезополупроводниковые материалы и слоистые структуры. Их работа основана на использовании различных механизмов нелинейного взаимодействия: упругого, пьезоэлектрического, электрострикционного, и особенно акустоэлектронного. Кроме того, применяются системы полупроводниковых диодов, связанных с системой электродов, нанесенных на поверхность пьезоэлектрического звукопровода. Нелинейные элементы позволяют перемножать акустические сигналы, производить акустическое детектирование, преобразование частоты и другие более сложные преобразования сигналов.
Устройства акустоэлектроники. На основе перечисленных элементов создаются различные акустоэлектронные устройства. К линейным пассивным акустоэлектронным устройствам относят устройства частотной фильтрации (фильтры), акустические линии задержки, согласованные (оптимальные) фильтры, или дисперсионные линии задержки, кодирующие и декодирующие устройства. Наибольшее распространение получили акустические фильтры (пьезоэлектрические, электромеханические, фильтры на объемных волнах и ПАВ). Опи применяются в различных системах связи от радиовещания и телевидения до космической связи и радиолокации для выделения полезного сигнала на фоне помех, для интегрирования (накапливания) сигнала с определенными характеристиками, для изменения частотного спектра сигнала.
Акустические линии задержки изготавливаются на времена задержки от нескольких нс до десятков мс с рабочими частотами от нескольких МГц до нескольких ГГц. Дисперсионные линии задержки, в которых время задержки зависит от частоты, применяются в качестве оптимальных фильтров для обработки линейно частотно-модулированных сигналов. Включение активных элементов в акустические линии задержки позволяет усиливать акустические сигналы и превращает их в активные устройства. Усиление УЗ-сигнала может осуществляться сверхзвуковым дрейфом носителей. Режим усиления при определенных условиях может быть переведен в режим генерации УЗ-волны. Этот эффект используется для создания акустоэлектронных генераторов монохроматических сигналов и сигналов со сложным спектром.
Наибольшее распространение получили генераторы сигналов (т. н. осцилляторы), в которых резонатор на ПАВ включен в цепь обратной связи транзисторного усилителя. Такие генераторы достаточно просты, малогабаритны и работают в диапазоне частот от 20 МГц до нескольких ГГц. В них возможна электронная перестройка частоты, или частотная модуляция.
Управление фазовой скоростью ПАВ при приложении к кристаллу электрического поля или при изменении его проводимости лежит в основе акустоэлектронных фазовращателей.
Основные нелинейные акустоэлектронные устройства - приборы аналоговой обработки сигналов - конвольверы (или конволюторы) и корреляторы, а также устройства акустической памяти. Конвольверы предназначаются для получения функции свертки V(t) двух сигналов F1(t) и F2(t): . В основе их работы лежит нелинейное взаимодействие бегущих навстречу друг другу акустических волн одной и той же частоты, огибающие которых представляют собой сигналы F1 и F2. В результате нелинейного взаимодействия возникает электрический сигнал на удвоенной частоте, снимаемый интегрирующим электродом. Амплитуда результирующего сигнала пропорциональна интегралу свертки , сжатому в два раза во времени вследствие встречного распространения акустических волн. В конвольверах используется также взаимодействие волн с различными частотами. В этом случае интегрирующий электрод выполняется в виде периодической структуры с периодом, определяемым пространственными биениями нелинейного сигнала на суммарной или разностной частоте.
Для выполнения операции свертки используется нелинейное взаимодействие ПАВ в слоистой структуре "пьезоэлектрик-полупроводник" (рис. 6). Преобразователи 1 и 2 излучают сигналы на частоте навстречу друг другу. При этом электрические поля, сопровождающие ПАВ в пьезоэлектрическом звукопроводе 3, создают в граничащей с ним полупроводниковой пластине 4 поперечный ток. Этот ток интегрируется электродом 5, и сигнал с частотой поступает в приемное устройство. Аналогичным образом осуществляется работа конвольвера на основе взаимодействия ПАВ в пьезо-диэлектриках, обусловленного упругим и пьезоэлектрическим механизмом нелинейности. В случае прямоугольной формы огибающих взаимодействующих сигналов результирующий сигнал имеет треугольную форму (рис 7, а), а при взаимодействии двух пар прямоугольных импульсов - форму трезубца (рис. 7, б). В случае симметричных сигналов свертка совпадает с автокорреляционной функцией.
Устройство, показанное на рис. 6, позволяет производить обращение сигнала F1(t) во времени. На входной преобразователь 1 подается сигнал F1(t) и в момент, когда он проходит под электродом 5, па последний подают -импульс (или очень короткий радиоимпульс), В результате нелинейного взаимодействия в направлении к преобразователю 1 распространяется обратная волна, представляющая собой обращенный во времени сигнал F2(t)=F1(-t). Например, если сигнал F1(t) представляет собой пару из короткого и длинного импульсов, то в сигнале F2(t) короткий и длинный импульсы меняются местами (рис. 8). Корреляторы предназначаются для получения функции корреляции двух сигналов:
.
Функцию корреляции сигналов можно получить с помощью устройства свертки, если один из сигналов предварительно обратить во времени. При этом встречное взаимодействие приводит к тому, что сигнал корреляции снова будет сжат в два раза.
В системе "пьезоэлектрик-полупроводник" наряду с операцией свертки или корреляции осуществляют также сравнительно долговременное запоминание акустических сигналов; такие устройства называются устройствами акустической памяти. Запоминание акустических сигналов обусловлено наличием центров захвата электронов в полупроводнике. В результате нелинейного взаимодействия двух акустических волн одинаковой частоты, бегущих навстречу друг другу, в системе возникает электрическое поле с нулевой частотой и пространственным периодом, вдвое меньшим длины акустической волны. Перераспределение заряда под действием этого поля создает объемный неоднородный заряд на примесных центрах захвата, который будет существовать до тех пор, пока тепловые процессы не выровняют это неоднородное распределение. Таким образом, время памяти определяется временем релаксации для примесных состояний полупроводников. Использование легированного кремния позволяет запоминать акустические сигналы на время в несколько сотен мкс, а сернистого кадмия - до 10 мс. Охлаждение кристалла дополнительно увеличивает время памяти. Считывание запомненного сигнала осуществляется подачей па электрод 5 (рис. 9) сигнала на удвоенной частоте (короткого считывающего импульса). Считанный сигнал снимается выходным преобразователем 2. Кроме того, в устройствах акустической памяти используют взаимодействие акустического сигнала частоты с однородным электрическим полем той же частоты. В результате этого запоминается периодическая структура с периодом, равным длине акустической волны. Считывание осуществляется подачей на электрод сигнала той же частоты . Устройство памяти позволяет не только запоминать сигнал, но и проводить его корреляционную обработку.
Сигнал свертки, как и сигнал акустической памяти, зависит от проводимости полупроводника. Неоднородность проводимости изменяет форму выходного сигнала, поэтому по его форме можно акустическими методами контролировать однородность электрических параметров полупроводниковых материалов, а по сигналу памяти - измерять время релаксации примесных состояний.
Нелинейные акустоэлектронные устройства применяются также для сканирования оптических изображений и преобразования их в электрический сигнал. Так, при освещении фоточувствительного полупроводника в устройстве свертки (рис. б) распределение освещенности оптических изображений задает распределение проводимости. Если в такой структуре производить свертку короткого и длинного акустического импульсов, то короткий сигнал будет сканировать распределение освещенности. В результате форма выходного сигнала конвольвера будет соответствовать распределению освещенности вдоль акустического пучка.
|