Сенсоры с использованием химических и биологических процессов на поверхности кантилевера

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

История кантилеверных детекторов, содержащих рецепторные слои, состоящие из монослойных пленок низкомолекулярных веществ, начинается с 1997 г., когда исследователями IBM в первый раз 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 находится в зависимости от ее длины.

С внедрением самоорганизующегося монослоя, состоящего из мономеров алканотиола с ферроценовыми группами, был произведен контроль окислително-восстановительной реакции на поверхности кантилевера. При помещении кантилевера в аква 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 извиву кантилевера в направлении его немодифицированной поверхности.

Модификация поверхности кантилевера низкомолекулярными соединениями употребляется в качестве базы для высокочувствительных датчиков на томные металлы. Был разработан детектор на высокотоксичные окиси хрома в аква растворе. Ионы оксида хрома сорбировались в областях дислокации раздельно заряженных анионов на поверхности кантилевера, имеющей особое покрытие, и связывали две молекулы аммония для восстановления электростатического равновесия. В итоге уменьшения поверхностного заряда кантилевер, будучи сначала изогнутым в направлении кремниевой поверхности, релаксировал в состояние с меньшей энергией извива.

Для сотворения хим детекторов удачно употребляют полимерные пленки. При модификации массива из восьми кантилеверов восьмью типами полимеров, имеющих разные степени растворимости, был реализован хим анализатор широкого диапазона.

Рис. 7.9 Система кантилеверов, измененных пленками разных видов полимеров. Понизу — отклик системы кантилеверов на пары воды и этанола.

На рисунке 7.9 (в нижней части) показана работа детектора с полимерными рецепторными слоями, в каком основной механизм извива кантилеверов был обоснован набуханием полимерных пленок в разных средах.