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. |
Примеры устройств на основе МЭМС прмышленного исполнения Применение явления сверхпроводимости в измерительной технике Вернуться в оглавление: Физические явления |