Студопедия
Обратная связь


Авиадвигателестроения Административное право Административное право Беларусии Алгебра Архитектура Безопасность жизнедеятельности Введение в профессию «психолог» Введение в экономику культуры Высшая математика Геология Геоморфология Гидрология и гидрометрии Гидросистемы и гидромашины История Украины Культурология Культурология Логика Маркетинг Машиностроение Медицинская психология Менеджмент Металлы и сварка Методы и средства измерений электрических величин Мировая экономика Начертательная геометрия Основы экономической теории Охрана труда Пожарная тактика Процессы и структуры мышления Профессиональная психология Психология Психология менеджмента Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении Социальная психология Социально-философская проблематика Социология Статистика Теоретические основы информатики Теория автоматического регулирования Теория вероятности Транспортное право Туроператор Уголовное право Уголовный процесс Управление современным производством Физика Физические явления Философия Холодильные установки Экология Экономика История экономики Основы экономики Экономика предприятия Экономическая история Экономическая теория Экономический анализ Развитие экономики ЕС Чрезвычайные ситуации ВКонтакте Одноклассники Мой Мир Фейсбук LiveJournal Instagram 500-летие Реформации


Кантилеверные сенсоры на основе высокомолекулярных и биополимерных систем

<== предыдущая статья |

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: биокаталитические, афинные и датчики на основе надмолекулярных структур. 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: на поверхность кантилевера наносится люкозаоксидаза, которая при взаимодействии с глюкозой ее окисляет и образует глюконовую кислоту.

Интересными являются также биологические приложения, использующие микрокантилеверные датчики на основе надмолекулярных структур. Карин Г. Феллер 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 с антибиотиком, замедляющим рост бактерий, и без антибиотика. После этого производился мониторинг увеличения массы кантилевера с помощью контроля его резонансной частоты. Описан сенсор на базе кантилеверных преобразователей, определявший по смещению резонансной частоты процесс прорастания спор плесневых и дрожжевых 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.

На данный момент технологии позволяют создавать микроэлектромеханические системы (МЭМС), способные измерять отдельные вирусные частицы с чувствительностью г/Гц (рис. 7.10а). Было экспериментально продемонстрировано измерение массы вируса вакцины оспы 9.5 фг с использованием кантилевера шириной 1.8 мкм и длиной 4 мкм (рис. 7.10б).

Рис. 7.10 (а) Микрокантилеверы с чувствительностью измерения массы г/Гц, (б) кантилевер, способный измерить массу одной вирусной частицы.

 

За последнее десятилетие произошел критический прорыв в разработке микромеханических сенсорных систем c рекордными показателями чувствительности по массе и количества связавшегося анализируемого вещества. 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: вакууме, газовых и жидких фазах вещества. Микроскопические размеры сенсорных устройств позволяют понизить предел их чувствительности до размеров отдельных бактерий и вирусных частиц, а также осуществлять мониторинг интенсивности ИК излучения и экзотермических (эндотермических) поверхностных реакций с высокимразрешением. 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. 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. 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: татический, 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. 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.

 

<== предыдущая статья |





 

Читайте также:

Просвечивающий электронный микроскоп

Квантовый осциллятор на базе электромеханического резонатора

Физические основы магнитнорезонансной томографии

Использование корпускулярных свойств частиц в устройствах получения первичной измерительной информации

Физические основы методов рентгеноструктурного анализа

Эффект поверхностного плазмонного резонанса

Практическое применение атомного силового микроскопа

Понятие «нечеткой логики»

Электромеханическая память.

Эффекты резонансного взаимодействия электромагнитного поля с веществом

Практическая реализация метода электронной микроскопии

Использование хаоса для целей передачи информации по линиям связи

Вернуться в оглавление: Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении

Просмотров: 1998

 
 

54.161.74.104 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.