| следующая статья ==>
АСМ
Широким классом устройств на базе АСМ являются бесконтактные сенсоры,
имеющие сходство с микро/наноэлектромеханическими системами (М/НЭМС),
прототипом которых можно считать датчики поверхностного натяжения металлических
пленок, впервые описанных Стони в 1909 г. [5]. МЭМС являются преобразователями
вклада внешнего многофакторного воздействия в механический отклик, принципиально
основанными на механическом движении и деформации стержней или мембран различной
формы [6]. Благодаря уменьшению собственной массы и жесткости конструкции МЭМС
обладают высокой чувствительностью. [124]. Появление атомно-силовой микроскопии
существенно стимулировало развитие микромеханичеких датчиков и перевело проблему
МЭМС в разряд более серьезных и профессиональных разработок. С опытом развития
технологий МЭМС многим исследователям, работающим в области атомно-силовой
микроскопии, стало интуитивно стало понятно, что кантилевер можно использовать не
только в качестве профилометра поверхности, но и как высокочувствительный датчик для
измерения различных физико-химических воздействий со стороны внешней среды.
Составными частями любого химического биохимического анализатора являются
рецептор, взаимодействующий с определяемым веществом, и детектор (физический
преобразователь). Протекание химической реакции с реагентом, иммобилизованным на
поверхности рецептора, сопровождается изменением его физических и физико-
химических свойств (оптических, электрических, акустических свойств и дт.), а также
массы и выделения или поглощения теплоты и излучения. Преобразователь откликается
на эти изменения и трансформирует их в величину аналитического сигнала, который
может быть представлен в виде числовых данных о содержании анализируемого вещества
[7]. В настоящий момент на базе кантилеверов создано множество сенсоров, имеющих в
своей основе два принципа регистрации сигнала, поступающего с рецепторного слоя:
первый из них сводится к измерению резонансной частоты системы, а второй – к
определению ее механических деформаций (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Основные режимы функционирования микрокантилеверных сенсоров.
Смещение собственной частоты осциллирующей механической системы может
произойти в результате изменения ее пространственных размеров вследствие нагрева или
изменения модуля Юнга сенсорного слоя, приводящих к изменению жесткости сенсора в
целом [8,18]. Прирост или уменьшение собственной массы осциллятора также приводят к
смещению резонансной частоты. Данный вид резонансных кантилеверных датчиков
является наиболее распространенным. Изменение массы системы может происходить за
счет адгезии или химической сорбции (десорбции) исследуемого вещества на поверхность
(с поверхности) сенсора [8-10,87,93,111,112]. Для измерения массы выбираются
специальные кантилеверы, позволяющие получить высокочастотный отклик на внешний
возбуждающий сигнал для обеспечения большей точности измерения массы.
Минимальная масса δМ, которую можно измерить с помощью кантилевера, выражается
следующим образом [124]:
Из выражения (1) для
предела чувствительности следует, что для уменьшения δМ требуется увеличение
динамического диапазона (минимизация внутренних шумов системы), расширение
рабочей полосы частот Δf и увеличение чувствительности, т.е. повышение рабочей
частоты резонатора и уменьшение его массы.
Если считать, что величина амплитуды колебания кантилевера много меньше его
длины l, то, используя приближение гармонического осциллятора, частоту собственных
где ρ , E – соответсвенно плотность и модуль Юнга материала кантилевера, t – толщина
кантилевера. Изменение массы можно представить следующим образом:
где f0 и f – частоты кантилевера до и после присоединения массы на его незакрепленному
конецу, k – жесткость кантилевера.
Внешние диссипационные факторы оказывают влияние на амплитудно-частотные
характеристики системы [11,124]. В качестве этих факторов могут выступать влажность и
вязкость среды [8,14,19], температурные дрейфы и эффекты, связанные с процессами
сорбции/десорбции анализируемого вещества на поверхности сенсора. Поэтому важной
задачей в разработке чувствительных масс-сенсоров является обеспечение стабильности
диссипационных характеристик внешней среды и отсутствия градиентов температуры
[6,124].
В микрокантилеверных системах деформации могут быть инициированы
действием внешних электростатических, магнитных и гравитационных полей,
оказывающих силовое воздействие на рецепторный слой сенсора. Идея создания
подобных сенсоров была вызвана стремлением увеличить их чувствительность путем
введения дополнительных внешних силовых источников: магнитных доменов, зарядов,
массовых элементов, входящих в структуру сенсорного слоя в качестве меток [27],
которые используются также и в других методах, например радио-иммуноанализа
(РИА)[28] и иммуноферментного анализа (ИФА) [23]. При незначительном количестве
связавшихся единиц присоединенные к ним метки усиливают, а в некоторых случаях
непосредственно генерируют сигнал связывания, увеличивая тем самым порог
чувствительности метода [27].
Одним из первых сенсоров, имеющим подобие современного кантилевера, который
в в 1925 г. был описан Тимошенко [12], являлся биметаллический стержень, состоящий из
двух скрепленных вместе металлических пластинок с разными коэффициентами
теплового расширения. Впервые подобные кантилеверы были применены в 1994 г. в
качестве прецизионных термометров для исследования тепловых эффектов во время
каталитической реакции H2 и O2 в слое воды, образующемся на пленке Pt, напыленной на
кантилевер, с точностью изменения температуры до 10-5K [4]. Следует отметить, что в
этом случае изгиб пластины, пропорциональный тепловому выходу реакции, был вызван
биморфным эффектом в скрепленных слоях Pt и Si, который в настоящее время широко
применяется в методах сканирующей тепловой микроскопии для получения карты
локального теплового распределения в работающих интегральных микросхемах [50] и в
различных датчиках теплового излучения [51, 85].
Величина температурной деформации в биморфной системе прямоугольного
кантилевера выражается в следующем виде [6]:
где α1, α2, λ1, λ2, Е1, Е2 – температурные коэффициенты расширения, теплопроводности и
модули Юнга материалов двухслойного сенсора соответственно, t1 и t2 – толщины
сенсорных слоев, l и w – длина и ширина кантилевера соответственно, ΔT - изменение
температуры.
Значительное распространение в современных биосенсорных приложениях
получили датчики, в которых в качестве материала, инициирующего напряжения в
кантилевере, выступают адсорбированные низкомолекулярные вещества (рис. 1.5)
[31,33,34,57-59,64,70,75-77,79,82,97,102,106], молекулярные комплексы [78-79], антитела
[87-92], ферменты [83, 84], ДНК [93-100], аптамеры [105], белки [80] или набухающие
полимерные пленки [6,29,30,32,66-67,82,107-110].
Рис. 1.5. Архитектура силового иммунохимического микрокантилеверного сенсора.
Условием для корректной работы силового микрокантилеверного датчика является
специфичность одной из его поверхностей к исследуемому сорбированному веществу [6].
Такой датчик имеет одну плоскость, специфичную к сорбату, в то время как другая
остается к нему инертной (Рис. 1.5). Поверхностные силы в молекулярных пленках на
твердых подложках могут быть обусловлены электростатическим взаимодействием
отдельных молекул [34,76-77,64] или их комплексов [78,106]. Изменение свободной
энергии [34], связанное с процессом адсорбции молекул на одну из сторон кантилевера,
выражается формулой Шатлворфа [6]:
где σ – поверхностное натяжение пленки, γ – свободная энергия поверхности, ∂ε –
коэффициент изменения площади поверхности ∂A/ A. Учитывая малые деформации
балки по отношению к ее линейным размерам, вкладом растяжения поверхности можно
пренебречь, тогда изменение свободной энергии тождественно величине поверхностного
натяжения [11]. Поверхностные силы в рецепторных слоях, состоящих из
низкомолекулярных соединений, могут быть обусловлены также химическими или
водородными связями [55,67], ультрафиолетовым [53] и тепловым [35,52] излучениями. В
случае биополимерных рецепторных слоев сложность поверхностных эффектов
возрастает и требует детальных исследований [92].
Как следствие изменения в сенсорном слое поверхностной энергии γ в нем
возникают силы избыточного давления или поверхностного натяжения. В связи с этим,
показатель направления изгиба кантилевера в микромеханических анализаторах является
существенным, так как характеризует набор доминирующих факторов, отвечающих за
энергетическое состояние системы в целом.
Связь поверхностного натяжения с величиной смещения конца кантилевера,
имеющего форму длинной прямоугольной балки, выражается соотношением Стони [5]:
где Δσ – разница сил поверхностного натяжения между верхней плоскостью кантилевера с
рецепторным покрытием и нижней без специфического покрытия, l и t – длина и толщина
прямоугольного кантилевера соответственно, ν и E – коэффициент Пуассона и модуль
Юнга материала кантилевера соответственно, Δz – величина отклонения кантилевера.
Формула (6), которая следует из элементарных соображений, позволяет получить
количественную оценку величины напряжений в сенсорном слое, находящемся на
поверхности кантилевра.
| следующая статья ==>