Кантилеверные сенсоры на основе высокомолекулярных и биополимерных систем

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.

Нечёткая логика и теория нечётких множеств

Синергетический подход к анализу динамики нелинейных процессов в сложных системах

Вернуться в оглавление: Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении