Методы, использующие датчики на основе кантилеверов

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.

Сканирующие магнитные микроскопы на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД - микроскопия) Сквиды

Примеры устройств на основе МЭМС прмышленного исполнения

Латеральное торможение

Применение явления сверхпроводимости в измерительной технике

Амперометрический анализатор

Вернуться в оглавление: Физические явления