| следующая статья ==>
Цель курса – познакомить студентов с теми физическими явлениями, которые в настоящее время широко используются в информационных технологиях, перспективными направлениями развития этих технологий, основанными на достижениях современной физики. Речь идет о дополнительных главах квантовой механики, физики твердого тела, полупроводниковой электроники, лазерной физики, оптики, которые необходимы для понимания тенденций развития элементной базы экспериментальной физики, метрологии, микроэлектроники, систем получения, обработки, передачи и хранения информации. Отметим, что элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров, распознавание образов и анализа изображений, онто-, радио- и акустоэлектроника, а так же оптическая и СВЧ-связь в рамках приоритетных направлений развития науки и техники относятся к критическим технологиям федерального уровня.
В настоящее время в измерительную технику широко внедряются достижения из области разработки искусственного интеллекта. В основу создания таких устройств положены принципы перехода от четкой программируемости их поведения в направлении приближения к принципам функционирования живых систем. Основное свойство таких «интеллектуальных» измерительных устройств состоит в способности адаптации их характеристик, структур, режимов работы к изменяющимся параметрам объекта измерения и условиям работы. Разработка таких интеллектуальных систем требует отхода от традиционных методов проектирования измерительных устройств. Подобно естественному отбору в природе, в технике также происходит постепенное развитие конструкций, усложнение принципов работы устройств. Можно с уверенностью сделать вывод о том, что дальнейшее совершенствование измерительной техники пойдет по пути широкого применения нейросетевых технологий, которые будут использоваться для получения, передачи и обработки измерительной информации. Такие измерительные устройства будут нелинейными, управляемыми, с обратной связью. Это позволит не только улучшить их метрологические характеристики, но и повысить информативность процессов получения, передачи и обработки измерительной информации.
Для разработки таких измерительных устройств могут быть использованы нелинейные физические эффекты, материалы, режимы работы устройств. Теоретической базой для развития такого направления совершенствования измерительных устройств являются успехи в развитии нелинейной динамики. Использование сложных нелинейных динамических систем для создания устройств получения и обработки измерительной информации открывает новые возможности для метрологии и технических измерений.
Список используемых сокращений
АИС – амперометрический иммуносенсор
АПС – аминопропилсилатран
АСМ – атомно-силовой микроскоп
БСА – бычий сывороточный альбумин
ДНК – дизоксирибонуклеиновая кислота
ИФА – иммуноферментный анализ
КМВ – кварцевое микровзвешивание
КМОП – комплиментарная металло-оксидно-полупроводниковая технология
МЭМС – микроэлектромеханические системы
НЭМС – наноэлектромеханические системы
ПХ – пероксидаза хрена
РИА – радиационный иммунный анализ
РНК – рибонуклеиновая кислота
РЭМ – растровый электронный микроскоп
СЗМ – сканирующий зондовый микроскоп
СТМ – сканирующий тунельный микроскоп
ФСБР – фосфатный солевой буферный раствор
RMS – root mean squared detector (среднеквадратичный детектор)
SAW – surface acustic waves (поверхностные акустические волны)
SPR – surface plasmon resonance (поверхностный плазмонный резонанс)
IgG – гамма-иммуноглобулин (класс макромолекул антител имеющих «Y»-форму)
Введение
Одним из активно развивающихся приложений метода химического
модифицирования поверхности является разработка химических и биосенсоров –
аналитических устройств, включающих взаимодействующий с определяемым веществом
рецепторный слой, тесно связанный или интегрированный с физическим
преобразователем [1]. Каждый из известных сегодня типов сенсоров (электрохимические,
полупроводниковые, оптические, масс-чувствительные и т. д.) обладает своими
достоинствами и недостатками, поэтому представляет интерес не только
совершенствование рецепторов известных типов, но и разработка новых селективных
высокочувствительных сенсорных систем, раскрытие их потенциальных возможностей и
преимуществ.
Селективность сенсора определяется наличием на поверхности преобразователя
прочно зафиксированного слоя функциональных групп или молекул, способных
специфично и, желательно, обратимо взаимодействовать с определяемым веществом –
аналитом. Создание такого рецепторного слоя – необходимое, но не достаточное условие
эффективности сенсора [2].
В последние десятилетия произошел технологический прорыв в области
изготовления кремниевых микроконсолей (кантилеверов) для атомно-силовой
микроскопии, позволивший создать чувствительные тепловые, магнитные, масс-сенсоры.
Успешное использование кантилеверов для детектирования самых разных физических
взаимодействий открывает широкие перспективы создания на их основе принципиально
нового класса химических сенсоров – так называемых микромеханических сенсоров, в
которых регистрируется изменение поверхностного натяжения на границе рецептор –
окружающая среда.
Это позволяет предположить, что микромеханические устройства на основе
кантилеверов могут служить не только в качестве средств инструментального экспресс-
анализа, но и в качестве инструментов для изучения привитых слоев и физико-
химических процессов в приповерхностном слое. Поэтому выявление того, какую
информацию о них можно получить с помощью микромеханических устройств на основе
кантилеверов, является, несомненно, интересной и актуальной в фундаментальном
аспекте задачей.
Для этого необходимо на примере использования различных модификаторов
поверхности и адсорбатов выявить основные закономерности возникновения
аналитического сигнала в микромеханических сенсорах и установить степень влияния
различных процессов, протекающих в привитых слоях, на поверхностное натяжение.
1. Аналитический обзор биокаталитических и
биосенсорных систем
В обзоре кратко описаны основы методов зондовой микроскопии, в особенности
атомно-силовой микроскопии (раздел 1.1.1) и силовой спектроскопии (раздел 1.1.2), и их
применения при исследовании свойств биополимерных систем. В разделе 1.1.3
рассматриваются аспекты функционирования современных перспективных
микрокантилеверных устройств в качестве высокочувствительных многофункциональных
биохимических датчиков. Проанализированы ___________основные факторы, отвечающие за
выработку аналитического сигнала микрокантилеверных сенсоров. Представлен спектр
применений микромеханических систем и схем регистрации аналитического сигнала
(раздел 1.3), при этом особое внимание уделено анализу супрамолекулярных структур
рецепторных слоев силовых преобразователей. Для сравнения в обзоре описаны основные
характеристики и принципы функционирования распространенных преобразователей
биофизических реакций в аналитический сигнал (раздел 1.2).
| следующая статья ==>