| следующая статья ==>
Цель курса – познакомить студентов с теми физическими явлениями,
которые в настоящее время широко используются в информационных
технологиях, перспективными направлениями развития этих технологий,
основанными на достижениях современной физики. Речь идет о
дополнительных главах квантовой механики, физики твердого тела,
полупроводниковой электроники, лазерной физики, оптики, которые
необходимы для понимания тенденций развития элементной базы
экспериментальной физики, метрологии, микроэлектроники, систем
получения, обработки, передачи и хранения информации. Отметим, что
элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых
компьютеров, распознавание образов и анализа изображений, онто-,
радио- и акустоэлектроника, а так же оптическая и СВЧ-связь в
рамках приоритетных направлений развития науки и техники относятся
к критическим технологиям федерального уровня.
В настоящее время в измерительную технику широко внедряются
достижения из области разработки искусственного интеллекта. В
основу создания таких устройств положены принципы перехода от
четкой программируемости их поведения в направлении приближения к
принципам функционирования живых систем. Основное свойство таких
«интеллектуальных» измерительных устройств состоит в способности
адаптации их характеристик, структур, режимов работы к изменяющимся
параметрам объекта измерения и условиям работы. Разработка таких
интеллектуальных систем требует отхода от традиционных методов
проектирования измерительных устройств. Подобно естественному
отбору в природе, в технике также происходит постепенное развитие
конструкций, усложнение принципов работы устройств. Можно с
уверенностью сделать вывод о том, что дальнейшее совершенствование
измерительной техники пойдет по пути широкого применения
нейросетевых технологий, которые будут использоваться для
получения, передачи и обработки измерительной информации. Такие
измерительные устройства будут нелинейными, управляемыми, с
обратной связью. Это позволит не только улучшить их метрологические
характеристики, но и повысить информативность процессов получения,
передачи и обработки измерительной информации.
Для разработки таких измерительных устройств могут быть
использованы нелинейные физические эффекты, материалы, режимы
работы устройств. Теоретической базой для развития такого
направления совершенствования измерительных устройств являются
успехи в развитии нелинейной динамики. Использование сложных
нелинейных динамических систем для создания устройств получения и
обработки измерительной информации открывает новые возможности для
метрологии и технических измерений.
Список используемых сокращений
АИС – амперометрический иммуносенсор
АПС – аминопропилсилатран
АСМ – атомно-силовой микроскоп
БСА – бычий сывороточный альбумин
ДНК – дизоксирибонуклеиновая кислота
ИФА – иммуноферментный анализ
КМВ – кварцевое микровзвешивание
КМОП – комплиментарная металло-оксидно-полупроводниковая
технология
МЭМС – микроэлектромеханические системы
НЭМС – наноэлектромеханические системы
ПХ – пероксидаза хрена
РИА – радиационный иммунный анализ
РНК – рибонуклеиновая кислота
РЭМ – растровый электронный микроскоп
СЗМ – сканирующий зондовый микроскоп
СТМ – сканирующий тунельный микроскоп
ФСБР – фосфатный солевой буферный раствор
RMS – root mean squared detector (среднеквадратичный детектор)
SAW – surface acustic waves (поверхностные акустические волны)
SPR – surface plasmon resonance (поверхностный плазмонный
резонанс)
IgG – гамма-иммуноглобулин (класс макромолекул антител имеющих
«Y»-форму)
Введение
Одним из активно развивающихся приложений метода химического
модифицирования поверхности является разработка химических и
биосенсоров –
аналитических устройств, включающих взаимодействующий с
определяемым веществом
рецепторный слой, тесно связанный или интегрированный с
физическим
преобразователем [1]. Каждый из известных сегодня типов сенсоров
(электрохимические,
полупроводниковые, оптические, масс-чувствительные и т. д.)
обладает своими
достоинствами и недостатками, поэтому представляет интерес не
только
совершенствование рецепторов известных типов, но и разработка новых
селективных
высокочувствительных сенсорных систем, раскрытие их потенциальных
возможностей и
преимуществ.
Селективность сенсора определяется наличием на поверхности
преобразователя
прочно зафиксированного слоя функциональных групп или молекул,
способных
специфично и, желательно, обратимо взаимодействовать с определяемым
веществом –
аналитом. Создание такого рецепторного слоя – необходимое, но не
достаточное условие
эффективности сенсора [2].
В последние десятилетия произошел технологический прорыв в
области
изготовления кремниевых микроконсолей (кантилеверов) для
атомно-силовой
микроскопии, позволивший создать чувствительные тепловые,
магнитные, масс-сенсоры.
Успешное использование кантилеверов для детектирования самых разных
физических
взаимодействий открывает широкие перспективы создания на их основе
принципиально
нового класса химических сенсоров – так называемых
микромеханических сенсоров, в
которых регистрируется изменение поверхностного натяжения на
границе рецептор –
окружающая среда.
Это позволяет предположить, что микромеханические устройства на
основе
кантилеверов могут служить не только в качестве средств
инструментального экспресс-
анализа, но и в качестве инструментов для изучения привитых слоев и
физико-
химических процессов в приповерхностном слое. Поэтому выявление
того, какую
информацию о них можно получить с помощью микромеханических
устройств на основе
кантилеверов, является, несомненно, интересной и актуальной в
фундаментальном
аспекте задачей.
Для этого необходимо на примере использования различных
модификаторов
поверхности и адсорбатов выявить основные закономерности
возникновения
аналитического сигнала в микромеханических сенсорах и установить
степень влияния
различных процессов, протекающих в привитых слоях, на поверхностное
натяжение.
1. Аналитический обзор биокаталитических и
биосенсорных систем
В обзоре кратко описаны основы методов зондовой микроскопии, в
особенности
атомно-силовой микроскопии (раздел 1.1.1) и силовой спектроскопии
(раздел 1.1.2), и их
применения при исследовании свойств биополимерных систем. В разделе
1.1.3
рассматриваются аспекты функционирования современных
перспективных
микрокантилеверных устройств в качестве высокочувствительных
многофункциональных
биохимических датчиков. Проанализированы ___________основные
факторы, отвечающие за
выработку аналитического сигнала микрокантилеверных сенсоров.
Представлен спектр
применений микромеханических систем и схем регистрации
аналитического сигнала
(раздел 1.3), при этом особое внимание уделено анализу
супрамолекулярных структур
рецепторных слоев силовых преобразователей. Для сравнения в обзоре
описаны основные
характеристики и принципы функционирования распространенных
преобразователей
биофизических реакций в аналитический сигнал (раздел 1.2).
| следующая статья ==>