|
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.
|
Кантилеверные сенсоры на основе высокомолекулярных и биополимерных систем
64
0
5 минут
Темы:
Понравилась работу? Лайкни ее и оставь свой комментарий!
Для автора это очень важно, это стимулирует его на новое творчество!