Введение в физические явления
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).
|
|
Проприоцептивная чувствительность, ощущения, восприятие Вернуться в оглавление: Физические явления |
5627
5536