Кантилеверные сенсоры на основе высокомолекулярных и биополимерных систем

Сенсорные устройства, в каких рецепторным слоем являются био природные соединения, именуются биосенсорами. Обычно, в схожих системах употребляются механизмы молекулярного определения «ключ–замок», обеспечивающие естественную селективность к определенным типам веществ. По типу определения веществ био детекторы можно поделить на три группы: биокаталитические, афинные и датчики на базе надмолекулярных структур. При биокаталитическом типе определения молекулы рецепторного слоя ведут взаимодействие с опознаваемым веществом, при всем этом в итоге данной реакции появляется новый продукт, использующийся как часть механизма преобразования био реакции в контролируемый отклик. Примером биосенсоров являются датчики на глюкозу, реализованные на базе микромеханических систем: на поверхность кантилевера наносится люкозаоксидаза, которая при содействии с глюкозой ее окисляет и образует глюконовую кислоту.

Увлекательными являются также био приложения, использующие микрокантилеверные датчики на базе надмолекулярных структур. Карин Г. Феллер использовал коммерчески доступные кантилевры для определения скорости роста микробов на их поверхности зависимо от концентрации антибиотика. Кантилеверы за ранее покрывались слоем арагозы и на 10 минут помещались в смеси, содержащие бактерии с антибиотиком, замедляющим рост микробов, и без антибиотика. После чего выполнялся мониторинг роста массы кантилевера при помощи контроля его резонансной частоты. Описан детектор на базе кантилеверных преобразователей, определявший по смещению резонансной частоты процесс прорастания спор плесневых и дрожжевых грибков, иммобилизованных на поверхности средством иммунохимической реакции.

При определенных критериях (27 °С и 97%-ой влажности) споры, вбирая воду из водяных паров окружения, фактически стопроцентно прорастали за 4 часа, что определялось сдвигом резонансной частоты кантилевера.

Сейчас технологии позволяют создавать микроэлектромеханические системы (МЭМС), способные определять отдельные вирусные частички с чувствительностью г/Гц (рис. 7.10а). Было экспериментально продемонстрировано измерение массы вируса вакцины оспы 9.5 фг с внедрением 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 частички.

За последнее десятилетие произошел критичный прорыв в разработке микромеханических сенсорных систем c рекордными показателями чувствительности по массе и количества связавшегося анализируемого вещества. Данные системы употребляют принципиально новый способ преобразования биохимических реакций в аналитический сигнал через статические деформации, возникающие в итоге, термических, электростатических и энергетических эффектов снутри рецептного слоя и структур МЭМС.

Микрокантилеверные системы, имея широкий диапазон операционных режимов: статический, динамический, контроль добротности и амплитуды аналитического сигнала, являются всеполноценным дополнением их отлично узнаваемых аналогов: химических, оптических и акустических датчиков. Не считая того, композиции разных схем регистрации аналитического сигнала МЭМС позволяют улучшить их работу фактически в хоть какой среде: вакууме, газовых и водянистых фазах вещества. Микроскопичные размеры сенсорных устройств позволяют снизить предел их чувствительности до размеров отдельных микробов и вирусных частиц, также производить 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 электрического носа, потребность в каких непреклонно растет. Таким макаром, можно заключить, что будущее развитие нанотехнологических биосенсоров, способных определять массу отдельных вирусных частиц и жалкие напряжения в молекулярных пленках опирается на микрокантилеверные системы, уже сейчас демонстрирующие непревзойденную чувствительность и простоту способов прямого анализа. Основанные на способе связывания анализируемого вещества с рецептороным слоем, микрокантилеверные системы открывают новые направления в исследовании межмолекулярных взаимодействий в биополимерных пленках. Можно прийти к выводу, что за последнее десятилетие произошел критичный прорыв в разработке микромеханических сенсорных систем c рекордными показателями масс чувствительности и количества связавшегося аналита. Данные системы употребляют принципно новый способ преобразования биохимических реакций в аналитический сигнал через статические деформации, возникающие в итоге, термических, электростатических и энергетических эффектов снутри рецептного слоя и структур самих МЭМС.

Микрокантилеверные системы, имея широкий диапазон операционных режимов: татический, динамический, контроль добротности и амплитуды аналитического сигнала, являются всеполноценным дополнением их отлично узнаваемых аналогов: химических, оптических, и акустических датчиков. Не считая того, композиции разных схем регистрации аналитического сигнала МЭМС позволяют улучшить их работу фактически в хоть какой среде: вакууме, газовых и водянистых фазах вещества. Микроскопичные размеры масс сенсорных устройств позволяют снизить предел их чувствительности до массы отдельных микробов и вирусных частиц, также производить мониторинг интенсивности ИК излучения и экзотермических (эндотермических)поверхностных реакций с высочайшим 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 электрического носа, потребность в каких непреклонно растет. На данный момент в Рф и за рубежом ведутся активные исследования в области сотворения «электрического носа» и «электрического языка» – искусственных измерительных систем, действующих подобно органам человека – носу и языку. Животрепещуща задачка сотворения критической прикроватной диагностики пациентов, которую проблемно воплотить без непрерывного контроля веществ в средах, содержащих посторонние примеси. Примерами устройств, при помощи которых можно организовать таковой контроль, могут служить кварцевые микровесы либо системы поверхностного плазмонного резонанса, но остается нерешенной неувязка неспецифического связывания в случае их использования для анализа веществ в многокомпонентных средах.

Значимая, не имеющая других аналогов особенность кантилевера – способность прямого измерения натяжения в пленках, помещенных на одну из его сторон. В данном случае степень воздействия неспецифического связывания на аналитический сигнал следствие низких энергий неспецифических связей и, как следует, их малозначительного вклада в поверхностное натяжение рецепторной пленки, приметно миниатюризируется. Благодаря этому получаемая о состоянии исследуемых объектов информация оказывается уникальной и, вообщем говоря, отличается от той, которую дают всераспространенные способы анализа массы, оптических и электронных параметров пленок. Уникальность инфы заключается в том, что она конкретно охарактеризовывает энергию межмолекулярных взаимодействий снутри пленки, преобразующуюся в статический извив кантилевера (энергию аналитического сигнала).

Поверхностные силы в молекулярных пленках на жестких подложках могут быть обоснованы электростатическим взаимодействием отдельных молекул либо их комплексов. Потому кантилеверы можно выделить в качестве нового класса прямых преобразователей биохимических веществ, имеющих особенные перспективы в областях где требуется непрерывный контроль биохимических агентов в воды. Личным случаем внедрения микрокантилеверов может быть, воплощение контроля уровня фармацевтических препаратов в физиологических жидкостях человека в критической прикроватной диагностики. На базе кантилеверов может быть создание широчайшего набора разных по собственной архитектуре датчиков, одной из конструктивной частей которых является сенсор.