Методы измерения, использующие датчики на основе кантилеверов
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.. МЭМС являются преобразователями вклада внешнего многофакторного воздействия в механический отклик, принципиально основанными на механическом движении и деформации стержней или мембран различной формы. Благодаря уменьшению собственной массы и жесткости конструкции МЭМС обладают высокой чувствительностью. 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, 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. 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. 7.4).
Рис. 7.4 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. 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. 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, достигается следующим образом. Для уменьшения величины регистрируемого приращения массы требуется увеличение динамического диапазона за счет минимизации внутренних шумов системы, расширение рабочей полосы частот и увеличение чувствительности, т.е. повышение рабочей частоты резонатора и уменьшение его массы. Внешние диссипационные факторы оказывают влияние на амплитудно-частотные характеристики системы. В качестве этих факторов могут выступать влажность и вязкость среды, 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. 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, которые используются также и в других методах, например радио-иммуноанализа (РИА) и ммуноферментного анализа (ИФА). При незначительном количестве связавшихся единиц рисоединенные к ним метки усиливают, а в некоторых случаях непосредственно генерируют сигнал связывания, увеличивая тем самым порог чувствительности метода. Одним из первых сенсоров, имеющим подобие современного кантилевера, который в в 1925 г. был описан Тимошенко, являлся металлический 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
Рис. 7.5 Архитектура силового иммунохимического микрокантилеверного сенсора
Условием для корректной работы силового микрокантилеверного датчика является специфичность одной из его поверхностей к исследуемому сорбированному веществу. Такой датчик имеет одну плоскость, специфичную к сорбату, в то время как другая остается к нему инертной (Рис. 7.5). Поверхностные силы в молекулярных пленках на твердых подложках могут быть обусловлены электростатическим взаимодействием отдельных молекул или их комплексов. Изменение свободной энергии, связанное с процессом адсорбции молекул на одну из сторон кантилевера, зависит от величины поверхностного натяжения пленки, свободной энергии поверхности, коэффициент изменения площади поверхности. Учитывая малые деформации балки по отношению к ее линейным размерам, вкладом растяжения поверхности можно пренебречь, тогда изменение свободной энергии тождественно величине поверхностного натяжения. Поверхностные силы в рецепторных слоях, состоящих из низкомолекулярных соединений, могут быть обусловлены также химическими или водородными связями, ультрафиолетовым и тепловым излучениями. В случае биополимерных рецепторных слоев сложность поверхностных эффектов возрастает и требует детальных исследований. Как следствие изменения в сенсорном слое поверхностной энергии 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 зависит от разности сил поверхностного натяжения между верхней плоскостью кантилевера с рецепторным покрытием и нижней без специфического покрытия, длины и толщины прямоугольного кантилевера соответственно, коэффициента Пуассона и модуля Юнга материала кантилевера. Это позволяет получить количественную оценку величины напряжений в сенсорном слое, находящемся на поверхности кантилевра.
|
и 
в слое воды, образующемся на пленке Pt, напыленной на кантилевер, с точностью изменения температуры до 
K. 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 и в различных датчиках теплового излучения. Величина температурной деформации в биморфной системе прямоугольного кантилевера зависит от значений температурных коэффициентов расширения, теплопроводности и модулей Юнга материалов двухслойного сенсора, толщины сенсорных слоев, длины и ширины кантилевера, изменения температуры. Значительное распространение в современных биосенсорных приложениях получили датчики, в которых в качестве материала, инициирующего напряжения в кантилевере, выступают адсорбированные низкомолекулярные вещества, молекулярные комплексы, антитела, ферменты, ДНК, аптамеры, белки или набухающие полимерные пленки.
5900
5714