Сенсоры с использованием химических и биологических процессов на поверхности кантилевера

В сенсорных методах АСМ используются два класса низкомолекулярных модификаторов поверхности: силаны, связывающиеся с кремниевой поверхностью кантилевера, и тиолы – вещества, образующие ковалентную связь собственного атома серы с золотом, которое, как правило, является отражающей поверхностью для большинства кантилеверов.

История кантилеверных сенсоров, содержащих рецепторные слои, состоящие из монослойных пленок низкомолекулярных веществ, начинается с 1997 г., когда исследователями IBM впервые были получены кривые изотермической сорбции алканотиолов на поверхности кантилевера, покрытого золотой пленкой. Изменение величины поверхностного натяжения, пропорционального длине углеводородных частей молекул, связывается с величиной наведенного дипольного момента молекулы, который зависит от ее длины.

С использованием самоорганизующегося монослоя, состоящего из мономеров алканотиола с ферроценовыми группами, был произведен контроль окислително-восстановительной реакции на поверхности кантилевера. При помещении кантилевера в водный раствор перхлорной кислоты ферроценовые группы, находящиеся на поверхности монослоя, начинали окисляться и электростатически отталкиваться друг от друга, генерируя поверхностное давление в пленке, что ведет к изгибу кантилевера в направлении его немодифицированной поверхности.

Модификация поверхности кантилевера низкомолекулярными соединениями используется в качестве основы для высокочувствительных датчиков на тяжелые металлы.

Был разработан сенсор на высокотоксичные окиси хрома в водном растворе. Ионы оксида хрома сорбировались в областях дислокации отдельно заряженных анионов на поверхности кантилевера, имеющей специальное покрытие, и связывали две молекулы аммония для восстановления электростатического равновесия. В результате уменьшения поверхностного заряда кантилевер, будучи первоначально изогнутым в направлении кремниевой поверхности, релаксировал в состояние с наименьшей энергией изгиба.

Для создания химических сенсоров успешно используют полимерные пленки. При модификации массива из восьми кантилеверов восьмью типами полимеров, имеющих различные степени растворимости, был реализован химический анализатор широкого спектра.

Рис. 7.9 Система кантилеверов, модифицированных пленками различных видов полимеров. Внизу - отклик системы кантилеверов на пары воды и этанола.

На рисунке 7.9 (в нижней части) показана работа сенсора с полимерными рецепторными слоями, в котором основной механизм изгиба кантилеверов был обусловлен набуханием полимерных пленок в различных средах.