Molekylær diagnostisk udstyr bliver mindre med fremme af miniaturisering teknologier. Der er stigende interesse på området biosensor forskning i miniaturiserede platforme. Miniaturiseringen er afgørende for in vivo fysiologiske overvågning, flere specificitet sensor arrays, sensor portabilitet og minimeres prøvevolumener. Konventionelle biosensorer har brug for omfattende emballage, komplekse elektroniske interface og regelmæssig vedligeholdelse. Disse ulemper kan reduceres ved hjælp af MEMS-enheder, der integrerer elektronik og mikromekaniske strukturer på chips. Microcantilevers har været ansat for fysiske, kemiske og biologiske sensorer. De har også har en bred anvendelse inden for medicin, specielt til screening af sygdomme, påvisning af punktmutationer, blodsukkermåling og detektering af kemiske og biologiske kampstoffer. Disse sensorer har flere fordele i forhold til den konventionelle analytiske teknikker i form af høj følsomhed, lav pris, enkel procedure, lav analyt krav (i μl), ikke-farlige procedurer og hurtig respons. Desuden er teknologien blevet udviklet i de sidste par år for fremstilling og brug af nanocantilevers til sensing applikationer, hvilket giver anledning til nanoelectromechani cal systemer (NEMS). Denne udvikling har øget følsomhed grænse op til det omfang, at forskerne nu kan visualisere optælling af molekyler. Med muligheden for høj kapacitet analyse af analytter og ultra følsom påvisning, besidder denne teknologi kolossale muligheder for den næste generation af miniaturiserede og meget følsomme sensorer. Masse Følsomme Påvisning ved Microcantilevers En microcantilever er en enhed, der kan fungere som en fysisk, kemisk eller biologisk sensor ved at registrere ændringer i cantilever bøjning eller vibrationelle frekvens. Det er miniaturiserede modstykke til en vippe, der bevæger sig op og ned på en regelmæssig interval. Denne bevægelse ændrer sig, når en specifik masse af analysand er specielt adsorberes på overfladen ligner den ændre sig, når en person træder ind på vippen. Men microcantilevers er en million gange mindre end den vippen have dimensioner i mikron og forskellige former som vist i figur 1.  Figur 1. Forskellige typer af microcantilevers (ovenfra) (a) Rektangulær (b) Dobbelt-legged (c) trekantet. Molekyler adsorberet på en microcantilever årsag Vibrationfrekvensen ændringer og afbøjning af microcantilever. Viskositet, densitet og flow kan måles ved at registrere ændringer i den vibrationelle frekvens. En anden måde at opdage molekylære adsorption er ved at måle afbøjning af cantilever på grund af adsorption stress på blot én side af cantilever. Afhængigt af arten af kemisk binding af molekylet, kan udbøjningen være op eller ned. Biochips med mekanisk detektionssystemer almindeligt brug microcantilever bi-materiale (f.eks Au-Si) stråler som sensing elementer. Det Au side er normalt belagt med en bestemt receptor. Efter binding af analysand (f.eks biologiske molekyler, såsom proteiner eller biologiske agenser) med receptoren, er receptoren overfladen enten spændes eller lettet. Dette bevirker, at microcantilever at aflede, som regel i nanometer, hvilket kan måles ved hjælp af optiske teknikker. Nedbøjningen er proportional med analysandens koncentration. Konceptet har været ansat i screening visse sygdomme som kræft og afsløre specifikke kemiske og biologiske kampstoffer. Microcantilever Nedbøjning Påvisningsmetoder Den piezoresistiv Nedbøjning Detection Metode Den piezoresistiv metoden [6-8] indebærer indlejring af en piezoresistiv materiale nær toppen overfladen af cantilever at registrere stress ændringen finder sted på overfladen af cantilever. Som microcantilever afbøjer, gennemgår en stress ændring, der vil gælde pres på piezoresistor, hvorved en ændring i modstand, der kan måles ad elektronisk vej. Fordelen ved piezoresistiv metode er, at det tæller systemet kan integreres på chippen. Ulempen er, at den afbøjning opløsning for piezoresistiv tæller systemet er kun én nanometer sammenlignet med en Ångstrøm med optiske påvisningsmetode. En anden ulempe med den metode er, at en piezoresistor skal være indlejret i cantilever. Fremstilling af en sådan cantilever med en sammensat struktur er mere kompliceret. Den piezoresistor materiale i bjælken skal være lokaliseret tæt på en overflade af cantilever som muligt for maksimal følsomhed. Den type doping bliver brugt til fabrikation af piezoresistiv materiale er en vigtig faktor. Den piezoresistiv koefficient på N-type silicium er større end for P-type. Modstanden af en piezoresistiv væsentlige ændringer, når stammen er anvendt på den. Den relative ændring i modstanden som funktion af anvendte belastninger kan skrives som:  hvor K betegner Gage-Factor, som er en væsentlig parameter. De sænket l og t refererer til de langsgående og tværgående del af Gage Factor. Følsomheden af et piezoresistor varierer proportionalt med tykkelsen t og krumningsradius. Den Gage Factor er proportional med Youngs modul, E, som er den iboende egenskab ved materialet. Den gage faktor kan også beregnes direkte ved dræning af køreledningsophæng og måle modstanden forandring.  hvor d er stammen i materialet, og R er modstanden. For en følsom enhed, bør Gage faktor være i størrelsesordenen 100. Den piezoresistiv udhængende stråle kan bruges som en del af Wheatstone broen kredsløb som vist i figur 2.  Figur 2. Den wheatstonebro Circuit anvendes til piezoresistiv microcantilever. Modstanden af den variable modstand armen (  ) På ovennævnte tal kan bestemmes ved hjælp af fælles spændingsdeler formel, og er vist som nedenfor:  Der ville være en modstand, forandring, når cantilever er udsat for en afbøjning. Den optiske Nedbøjning Detection Metode Den optiske metode [8], som vist i figur 3, anvender en laserstråle med meget lav effekt i den rækkefølge, som ikke påvirker biomolekyler belagt på overfladen af microcantilever og en position følsom detektor (PSD). Laserstrålen falder på cantilever og bliver afspejlet som guld lag belagt på overfladen af cantilever giver det en næsten spejl finish. Den reflekterede stråle falder på PSD. Når cantilever er undeflected dvs det er ikke belagt med et molekyle, vil laserstrålen falder på en bestemt plet på PSD. Som cantilever afbøjer,. Placeringen af bjælken ændringer, som igen er beregnet ved hjælp af passende elektronik Fordelen ved denne opdagelse er, at det er i stand til at opdage afbøjning i sub-nanometer området. Men denne metode har også sin egen ulemper. Tilstedeværelsen af en fokuseret laserstråle i en væske celle miljø kan medføre yderligere termisk ledelsesmæssige spørgsmål giver anledning til uvedkommende aflæsninger. For det andet er tilpasningen systemet er dyrt og kræver stor præcision, hvilket i sidste ende kan øge omkostningerne for hele diagnostiske kit. Desuden det reducerer sættets bærbarhed.  Figur 3. Skematisk af et optisk detection system til detektering af microcantilever afbøjning. Det reflekterede laserlys fra afbøjes microcantilever falder på en anden placering på PSD. Afhængig af afstanden mellem de to positioner af laserstrålen på PSD, er afbøjning af microcantilever bestemmes. Den kapacitive Nedbøjning Detection Metode Den kapacitive metode [9] er baseret på det princip, at når cantilever afbøjning sker på grund af adsorption af analysand, er kapacitansen af et fly kondensator ændret. Her microcantilever er en af de to kondensator pladerne. Denne afbøjning teknik er meget følsom og giver absolut forskydning. Men denne teknik er ikke egnet til at måle store forskydninger. Desuden virker det ikke i elektrolyt løsninger på grund af faradic strømme mellem de kapacitive pladerne. Derfor er det begrænset i sin sensing applikationer. Den interferometri Nedbøjning Detection Metode Denne optiske påvisningsmetode [10,11] er baseret på indblanding af en reference laserstråle med laserstrålen reflekteres af cantilever. Den kløvet slutningen af en optisk fiber er bragt tæt på cantilever overfladen. En del af lyset reflekteres på grænsefladen mellem fiber og de omkringliggende medier, og den anden del er afspejlet på cantilever tilbage i fiber. Disse to stråler blande sig inde i fiber, og interferens signal kan måles med en fotodiode. Interferometri er en meget følsom metode giver en direkte og absolut måling af forskydning. I denne metode, har lys til at blive bragt tæt på cantilever overfladen for at få nok reflekteret lys. Optisk fiber få mikrometer væk fra den frie ende af microcantilever kunne måle afbøjning i 0,01 for et interval. Men placeringen af fibre er en vanskelig opgave. Metoden fungerer godt for små forskydninger, men er mindre følsomt i væsker og dermed af begrænset nytte i biosensor applikationer. Den Optisk Diffraktion Rist Nedbøjning Detection Metode Det reflekterede laserlys fra interdigitated køreledningsophæng danner en diffraktion mønster, hvor intensiteten er proportional med cantilever afbøjning [12]. Dette kan bruges til atomic force mikroskopi, infrarød detektering, og kemiske sensorer. The Charge Coupled Device (CCD) Detection Metode En CCD-kamera til at måle afbøjning af cantilever som reaktion på analyt blev brugt af Kim og co-arbejdstagere [13]. Stillingen følsom detektor her er CCD kamera, der registrerer laserstrålen afbøjes fra cantilever. Mekaniske egenskaber for køreledningsophæng De grundlæggende mekaniske parametre for en cantilever er fjederkonstanten og resonansfrekvensen. Fjederkonstanten k er proportionalitetsfaktoren mellem påførte kraft, F og den deraf følgende bøjning af cantilever, z. Dette forhold kaldes Hookes lov. F =-KZ Fjederkonstanten giver det stivhed af cantilever. For en rektangulær cantilever af længde l, kan fjederkonstanten skrives som  hvor E er Youngs modul og jeg er inertimoment. En typisk fjederkonstanten for en stress følsomme cantilever ligger i intervallet 1 mN / m til 1 N / m. Resonansfrekvensen f res for en enkel rektangulær cantilever kan udtrykkes som  hvor ρ er massefylde, h og w betegner højden og bredden af cantilever hhv. Inertimoment for et rektangulært cantilever kan skrives som  Et enklere udtryk for resonansfrekvensen kan skrives som en funktion af fjederkonstanten som  Hvis masse, m = ρ.hlw Sammenhængen viser, at resonansfrekvensen øges som en funktion af stigende fjederkonstanten og faldende cantilever masse. Brugen af microcantilevers er blevet forstået på verdensplan, men det biomekanik [14] og den underliggende mekanisme for microcantilever nedbøjning er endnu ikke fuldt etableret. Bukning adfærd Cantilever Bjælker En ensartet overflade stress handler på en isotropisk materiale stigninger (i tilfælde af trykspænding) eller sænker (i tilfælde af trækspænding) det areal, som vist i figur 4. Hvis denne stress ikke er kompenseret på den modsatte side af en tynd plade eller stråle, vil hele strukturen Bend. Mellem områderne trykspændinger og trækspændinger, er der et neutralt plan, som ikke er deformeret. På grund af bøjning, er en kraft F, der handler i en afstand af x i det neutrale plan resulterer i et bøjningsmoment M = Fx Derfor er krumningsradius R givet ved: 1 / R = D 2 z / dx 2 = M / EI hvor E er den tilsyneladende Youngs modul, og jeg er inertimomentet givet ved følgende ligning til rektangulære bjælker  Ændringen i overfladen stress på den ene side af bjælken vil forårsage statisk bøjning, og det bøjningsmoment, kan beregnes som:  Δσ = σ 1 - σ 2 er forskellen overfladen stress med σ 1 og σ 2 som overflade stress på den øvre og nedre side af cantilever henholdsvis (figur 5). Indsættelse af disse værdier af I og M i den første ligning giver Stoney formel [15]:   Figur 4. Bukning af en cantilever stråle som reaktion på tryk-og trækspændinger. (A) Kompressiv overflade stress på grund af frastødning mellem biomolekyler fører til en nedadgående / negativ afbøjning af cantilever stråle. (B) Træk overflade stress på grund af tiltrækningen mellem molekyler fører til stigende / positiv afbøjning af cantilever stråle.  Figur 5. Lateral billede af en tynd cantilever stråle af tykkelse t udsat for trykspænding. σ 1 er stress på den øvre overflade og σ 2 er stress på den nedre overflade af cantilever. Cantilever stråle bøjer med en konstant krumningsradius R. Under hensyntagen til de randbetingelser af en cantilever (R »L), kan ovenstående ligning skal løses, og forskydningen af køreledningsophæng kan skrives som:  Ændringer i overfladen stress kan være resultatet af adsorption proces eller elektrostatiske interaktioner mellem ladede molekyler på overfladen samt ændringer i overfladen hydrofobicitet og konformationelle ændringer af det adsorberede molekyler. Ud over overfladen stress-induceret bøjning, kan lydstyrken udvidelse af bimaterial køreledningsophæng resultere i en statisk bøjning. En bimaterial cantilever gennemgår bøjning på grund af gas adsorption hvis volumenekspansion koefficienterne for de to materialer er forskellige. Microcantilever Sensorer Biosensorer programmer kræver hurtig, nem at bruge, billigt og meget følsomme metoder til påvisning af analytter sammen med kapacitet til high-throughput screening. Alle disse punkter kan opfyldes ved at micromachined cantilever sensorer, som derfor ideelle kandidater til biosensorer applikationer. De forskellige anvendelser af microcantilever baserede sensorer er sammenfattet i figur 6.  Figur 6. Anvendelser af microcantilever-baserede sensorer. Microcantilever baserede sensorer [16] er den enkleste MEMS enheder, der tilbyder en meget lovende fremtid for udvikling af nye fysiske, kemiske og biologiske sensorer. De er de nyeste og mest avancerede analyt sporingssystemer med detektionsgrænsen langt lavere end de mest avancerede teknikker i øjeblikket beskæftiget. Den adsorberede masse af analytter forårsager nanomechanical bøjning af microcantilever. Ændringen i masse på microcantilever overflade på grund af bindingen af analysandens molekyler er direkte proportional med afbøjning af microcantilever. Således kan kvalitative såvel som kvantitative påvisning af analytter skal udføres. Materialer, der anvendes i kommercielle køreledningsophæng Den kommercielle køreledningsophæng er typisk lavet af silicium, silicium nitrid eller siliciumoxid og findes i en bred vifte af forskellige former, dimensioner, og tvinge følelser. Den seneste udvikling kombinerer de nyeste integrerede kredsløb (IC) og Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) teknologi til at producere intelligente ekstremt små køreledningsophæng i form af et array. Køreledningsophæng anvendelse ved ikke-Kontakt-tilstande De seneste år har været vidne til en anden evolutionære skridt i brugen af køreledningsophæng, hvor de ikke længere bringes i kontakt med en overflade. De er nu brugt i sensor systemer, som leverer en helt ny type miniaturiserede transducer bygger på grundlæggende principper i fysik som bimetallic effekt, overflade stress, eller den harmoniske oscillator. Fordele ved Microcantilever-baserede sensorer Microcantilever baserede sensorer har et enormt potentiale til påvisning af forskellige analytter i gasform, vakuum og flydende medium. De har vakt stor interesse på grund af deres høje specificitet, høj følsomhed, enkelhed, lave omkostninger, lav analyt krav (i μl), ikke-farligt procedure med færre trin, hurtig respons og lavt strømforbrug krav. Stoffer på sporstofniveau er i øjeblikket opdages af forskellige teknikker som højtydende væskekromatografi (HPLC), tyndtlagschromatografi (TLC), gaskromatografi (GC), gas-væskekromatografi (GLC) osv. Men disse teknikker er komplekse, tidskrævende, dyrt og kræver voluminøse instrumentering. Også prøveforberedelse er en lang kompliceret procedure, og kræver uddannet personale. Men microcantilever-baserede sensorer kan opdage spormængder af stofferne i dele-per-milliarder (ppb) og dele-per-billioner (ppt). De oversætter biomolekylære anerkendelse i nanomechanical bøjning af microcantilever [17]. Intermolekylære kræfter, som følge af adsorption af analyt molekyler på microcantilever fremkalde overfladen stress, som følger direkte i nanomechanical bøjning af microcantilever. Sensing Anvendelser af Microcantilevers i fysik og kemi Cantilever-baserede sensorer har omfattende anvendelser i fysik og kemi. De kan bruges til at måle lydbølge hastigheder, flydende tryk og flow, og kan indstilles til selektivt at afhente akustiske vibrationer. Biotoksiner kunne påvises med følsomhed på ppt-niveau ved belægning ene side af cantilever med monoklonale antistoffer specifikke for den pågældende biotoxin. Virkningerne af mindre atmosfærisk tryk ændringer kan mærkes i resonans af det vibrerende cantilever. Effekter af eksponering for ultraviolet stråling kan sanses ved at vælge den rigtige polymere belægning. Det er blevet bemærket, at silicium nitrid køreledningsophæng belagt med guld på den ene side er ganske følsomme over for pH-ændringer. Baseret på dette, kan cantilever baserede sensorer gøres til påvisning af pH-ændring. De har også været brugt til at detektere kviksølv damp, fugtighed, naturgas, gasblandinger, toluen og bly i vand. Typer af sensorer baseret på Micro og Nanocantilevers Fugtsensorer Luftfugtigheden i miljøet kan måles, hvis den ene side af microcantilever er belagt med gelatine [18]. Gelatine binder sig til vandet dampe til stede i atmosfæren, og derved forårsager bøjning af cantilever. Forskere på Oak Ridge National Laboratory (ORNL), USA viste, at køreledningsophæng belagt med hygroskopiske materialer såsom fosforsyre kan bruges som en sensor til detektering af vanddamp med picogram masse opløsning [19]. Når vandet dampe er adsorberet på den coatede overflade cantilever, der er forandring i resonansfrekvens microcantilevers og cantilever afbøjning. Følsomhed microcantilevers kan øges ved belægning dens overflade med materialer med høj affinitet til analysandens. Herbicid Sensorer Microcantilevers er blevet brugt til at registrere koncentrationen af herbicider i den flydende miljøet ved Roberto Raiteri og medarbejdere [20]. Den herbicidet 2,4-dichlorphenoxeddikesyre (2,4-D) blev belagt på den øvre overflade af cantilever. Det monoklonale antistof mod 2,4-D blev derefter stillet til rådighed cantilever. De specifikke samspil mellem monoklonale antistof og ukrudtsmidlet forårsaget bøjning af cantilever. En masse forskning der foregår for at udvikle antistof-coatede cantilever immunobiosensors til påvisning af organiske og organofosfat pesticider og herbicider til stede ved ng / l koncentration i vandige medier. Alvarez og kolleger demonstreret brugen af microcantilevers til påvisning af pesticidet dichlor diphenylethere trichlorethan (DDT) [21]. Metal Ion Sensorer Microcantilever sensorer er blevet ansat til at opdage en koncentration på 10 -9 M CrO 4 2 - i et flow celle [22]. I denne enhed, var en selv-samlet lag af triethylfosfat-12-mercaptododecyl ammonium bromid på guld-belagt microcantilever overflade, der benyttes. Microcantilevers kunne bruges til kemisk påvisning af en række af gasformige analytter. En multielement sensor-array-enhed beskæftiger microcantilevers kan gøres for at opdage forskellige ioner samtidigt. Temperaturfølere / Heat Sensorer Ændringer i temperatur og varme bøje en cantilever, der består af materialer med forskellige termiske ekspansion koefficienter af bimetallic effekt. Microcantilever baserede sensorer kan måle ændringer i temperatur så lille som 10 -5 K og kan bruges til foto termisk måling. De kan bruges som microcalorimeters til at studere den varme udviklingen i katalytiske kemiske reaktioner og enthalpi ændringer på faseovergange. Bimetalliske microcantilevers kan udføre photothermal spektroskopi [23] med en følsomhed på 150 FJ og en sub-millisekund tidsopløsning. De kan opdage varme ændringer med attojoule følsomhed. Viskositet Sensorer Ændringer på mellemlang viskoelasticitet flytte cantilever resonans frekvens. En meget tyktflydende medium omkring cantilever samt en ekstra masse, vil fugtig cantilever svingning sænke sin grundlæggende resonans frekvens. Køreledningsophæng kan derfor vibreres af piezoelektriske aktuatorer til genlyd og bruges som viskositet meter [24]. Kalorimetri Sensorer I disse sensorer er det kun de temperaturændringer, der skal måles [25,26]. De fleste af de kemiske reaktioner er forbundet med en ændring i varme. Så har kalorimetri fået et enormt potentiale for at identificere en bred vifte af forbindelser. Enzymer som glukoseoxidase kan blive stående, og belagt på overfladen af microcantilever, der vil reagerer specifikt med glucose i løsningen fremstille et genkendeligt kalorimetriske signal. På grund af den lille termisk masse og følsomhed cantilever, vil kalorimetri sensorer ansætte køreledningsophæng være næste generation af sensorer til påvisning af temperaturændringer. Sensor Afsløring magnetiske perler Baselt og medarbejdere [27] forklarede muligheden for at bruge microcantilevers som force transducere til at påvise tilstedeværelsen af receptor-belagt magnetiske perler. Det er muligt at påvise tilstedeværelsen af en enkelt μm størrelse magnetiske stribe stikning på funktionaliserede cantilever overfladen ved at anvende et eksternt magnetfelt og måle afbøjning af microcantilever. En ekstremt følsomme sensor kan ske ved mærkning analysandens med magnetiske perler. Cantilever Baseret Telemetri Sensorer Cantilever baserede telemetri sensorer [28] vil implementere fieldable enheder til relay relevante data til centrale indsamling af stationer. De vil aktivere brugen af mobile enheder bæres af eller med personale og vil erstatte kablede sensorer i nogle programmer. Forskere på ORNL bygger et microfabricated chip med indbygget elektronisk behandling og telemetri. De arbejder også på en metode til at påvise forskellige arter. Mikrosensorer til Monitor Missile Storage og behov for vedligeholdelse Miniaturiserede microcantilever baserede sensorer med fjernbetjening trådløs overvågningskapacitet er blevet ansat til at få indsigt i lageret tilstand [29]. Denne teknologi vil evaluere ammunition levetid baseret på miljømæssige parametre som luftfugtighed, temperatur, tryk, stød og korrosion, samt række andre indikatorer for drivmiddel nedbrydning herunder NOx. Single chip detektorer med elektronik og telemetri kan udvikles med flere hundrede køreledningsophæng som en matrix for samtidig at overvåge, identificere og kvantificere mange vigtige parametre. Korrosion sensorer har begrænset levetid med moderat til svær miljøer. Systemer skal være bygget til at indsamle miljødata for bedre kendskab til miljøforhold. Der er et behov for at udvikle materialer som zeolitter [30] til brug som sensibiliserende belægninger til specifik detektion. Zeolitter er termisk stabil aluminosilikat rammer strukturer, der anvendes kommercielt som molekylære sigter, katalysatorer, ion-vekslere og kemiske absorbenter. De viser glimrende selektivitet og selektiv termisk desorption egenskaber. Fjernbetjening Infrarød Stråling sensorer En fjern infrarød (IR) stråling sensor er udviklet af Oden og medarbejdere [31]. Sensoren består af et piezoresistiv cantilever belagt med en varme-absorberende lag. Piezoresistiv microcantilevers repræsenterer en vigtig udvikling i Ukølede IR detektionsteknologi. Cantilever gennemgår bøjning på grund af forskellen stress mellem belægningen og underlaget. Cantilever bøjning forårsager en ændring i piezoresistance, som er proportional med mængden af den absorberede varme. Temperaturvariationer kan påvises ved en belægning på cantilever med et andet materiale, som forårsager bimetallic effekten resulterer i bøjning af cantilever. Således kan kalorimetriske påvisning af kemiske reaktioner skal gøres. Guld-sorte skulle tjene som IR-absorberende materiale. Høj termisk udvidelse bimaterial belægninger såsom Al, Pb og Zn kunne bruges til at øge termisk induceret bøjning af microcantilever. To dimensionelle cantilever arrays kan bruges til IR-billeddannelse, som de er enkle, meget følsom og hurtigt at reagere. Sprængstoffer sporingsudstyr Det menes, at hundene har fået fantastiske lugte magten, grunden til at de er bredt ansat i detektering af sprængstoffer. Hunde kan spore sprængstoffer ved at snuse let fordampes organiske kemikalier til stede i en koncentration så lav som dele-per-milliarder. Mange grupper udfører aktiv forskning med det formål at lave en "næse-on-a-chip 'anordning med de ildelugtende strøm nøjagtigt svarer til hundens næse. I denne "næse-on-a-chip"-enhed [32,33], kunne en microcantilever række blive anvendt, hvor hver cantilever vil blive belagt anderledes for at afhente en specifik organisk forbindelse. Det kan blive indarbejdet i vores daglige brug element som sko, vandrestav, pung etc. at opdage sprængstoffer uden at lade de skyldige ved om søgningen. Enheden vil være en stor præstation fra et sikkerhedsmæssigt synspunkt og ville forhindre store ulykker. En microcantilever belagt med platin eller en overgang metal kan reagere med trinitrotoluen (TNT), hvis det opvarmes til 570 ° C og holdes ved denne temperatur i 0,1 sekund. Reaktionen af TNT med cantilever belægningen vil forårsage en mini-eksplosion. Thundat og hans gruppe [34] er ved at udvikle en tændstikæske-størrelse enheden til at detektere sprængstoffer i lufthavnen bagage og landminer baseret på denne teknik. Sensing Anvendelser af Microcantilevers i Field of Disease Diagnose Kræft Afsløring Mikrochips Arun Majumdar og medarbejdere [3] har vist microcantilever baseret følsom metode til diagnosticering af kræft. De belagt overfladen af microcantilever med antistoffer specifikke for prostata specifikt antigen (PSA), en prostatakræft markør findes i blodet hos patienter med prostatakræft. Når PSA-belagt microcantilever interagerede med blodprøven af patienten have prostatacancer, blev antigen-antistof kompleks dannes og cantilever bøjet på grund af den adsorberede masse af antigen molekyler. Den nanometer bøjning af cantilever blev opdaget optisk af en low power laser stråle med sub-nanometer præcision ved hjælp af et foto detektor. Dette microcantilever baseret assay var mere følsomme end konventionelle biokemiske teknikker til påvisning af PSA, da det kan afsløre antigen niveau lavere end de klinisk relevante tærskelværdi. Teknikken er så godt som og potentielt bedre end ELISA. Derudover er udgifterne pr analysen er mindre, da der ikke er behov for at vedhæfte fluorescerende tags eller radioaktive stof molekylerne. Påvisning af PSA baseret på resonansfrekvens skift af piezoelektriske nanomechanical microcantilever var blevet påvist også af Lee og co-arbejdstagere [35]. Myoglobin sensorer Raiteri og hans gruppe [4] ansat microcantilevers med anti-myoglobin monoklonalt antistof coated på oversiden af sulfosuccinimidyl 6 - [3 - (2-pyridyldithio)-propionamido] hexanoate (sulfo-LC-SPDP) cross-linkeren. Da humant serum blev givet, myoglobin bundet til anti-myoglobin, hvorved en fordrejning af microcantilever. 85 ng / ml myoglobin var let at opdage, som er den fysiologiske koncentration i det raske menneske serum. Glucose Biosensorer Pei og medarbejdere [36] rapporterede en teknik til mikromekaniske påvisning af biologisk relevante glukosekoncentrationer ved immobilisering af glukose oxidase på microcantilever overfladen. Enzymet-funktionaliserede microcantilever gennemgår bøjning på grund af en ændring i overfladen stress induceret ved reaktion af glucose oxidase immobiliseret på cantilever overflade med glukose i opløsning. Forsøgene blev udført under strømning, og det blev påvist, at den fælles interferenser for glukose detektion havde ingen effekt på måling af blodsukker. Biosensorer for koronar hjertesygdom En klinisk biokemisk sensor Ansøgningen blev forelagt [37], hvor adsorption af low-density lipoprotein (LDL) og deres oxiderede form (oxLDL) på heparin blev differentieret ved at måle overfladen stress beskæftiger biosensorer microcantilevers. Evnen til at skelne mellem disse to arter er af interesse, fordi deres optagelse fra plasma primært begunstiget oxiderede form, som menes at være ansvarlig for ophobning af kolesterol i aorta i tid og er forbundet med den første fase af koronar hjertesygdom. Metoden blev også brugt til at opdage konformationelle ændringer i to plasmaproteiner, immunoglobulin G (IgG) og albumin (BSA), induceret ved deres adsorption på en fast overflade i en buffer miljø. Dette fænomen er af afgørende betydning i biomedicinske applikationer, der omfatter faste overflader, men det har været vanskeligt at måle med konventionelle adsorption teknikker. Cantilever baserede sensorer til at opdage Single-nukleotid polymorfier Single nukleotid polymorfier (SNP) inden for de kendte gensekvenser og genom er den største bekymring for genomforskning. Punktmutationer forårsage flere sygdomme som thalassæmi, Tay Sachs, Alzheimers sygdom osv. Derfor vil indsatsen for at opdage enkelt nukleotid polymorfi støtte i tidlig diagnosticering af disse sygdomme og vil hjælpe i behandlingen af patienter, der har sådanne lidelser. En effektiv og pålidelig måde at opdage en sådan enkelt basepar paradoksproblemer er ved hjælp af microcantilevers som er yderst følsomme over for specifikke biomolekylære anerkendelse interaktioner mellem sonden DNA-sekvens og målet DNA-sekvensen. De kan registrere koncentrationen i Pico-til femtogram rækkevidde. Thiolated DNA-sonder specifikt for den pågældende mål-DNA-sekvens er immobiliseret på guld-belagt microcantilever. Hybridisering med helt gratis target DNA-sekvens vil medføre, at netto positiv afbøjning af cantilever. Net positive udslag er et resultat af reduktion i Konfigurationsaspekter entropi dsDNA versus ssDNA, hvilket medfører reduktion af kompressionskræfter på guld siden af cantilever. Hybridisering af sonden DNA med target-dna have ét eller to base-par uoverensstemmelser resulterer i en netto negativ afbøjning af cantilever på grund af øget frastødende kræfter på guld-belagt overflade microcantilever. Nedbøjningen er større for target-dna have to basepar paradoksproblemer end for target-dna at have en basepar mismatch. Graden af frastødning stiger antallet af basepar paradoksproblemer stige [38]. McKendry [39] demonstreret flere label-fri biodetection og kvantitative DNA-bindende analyser på en nanomechanical cantilever array. Disse DNA-baserede microcantilever afbøjning assays ville være en velsignelse for området farmakogenomik, som vil udvikle lægemidler specielt fremstillet til at målrette SNPs. Disse analyser har en hurtig responstid på mindre end 30 minutter og er langt billigere end de andre teknikker, der i øjeblikket anvendes til at detektere SNPs. Det er en simpel procedure, og output dvs cantilever nedbøjning er en simpel + / - signal. Nuværende hybridisering detektionsteknikker som Southern blotting kræver yderst strenge reaktionsbetingelser mens microcantilever-baserede teknik kræver kun en fysiologisk buffer og stuetemperatur (25 ° C). Detaljer om omdannelsen af biomolekylære anerkendelse i nanomekanik er givet i [40]. Southern hybridisering er meget kedelige, dyre, farlige og tidskrævende procedure. På den anden side, skal du holde microcantilevers et stort løfte for den medicinske diagnose, fordi ikke kun til stede, men placeringen af paradoksproblemer kan findes. Biochips Nylige fremskridt inden for biochips [41,42] har vist, at sensorer baseret på bøjning af microfabricated køreledningsophæng have potentielle fordele i forhold til tidligere anvendte metoder til påvisning. Biochips med mekanisk detektering systemer bruger microcantilever bimaterial (f.eks Au-Si) stråler som sensing elementer. Det Au side er normalt belagt med en bestemt receptor. Efter binding af analysand (f.eks biologiske molekyler, såsom proteiner eller biologiske agenser) med receptoren, er receptoren overfladen enten spændes eller lettet. Dette bevirker, at microcantilever at aflede og nedbøjning blev anset for at være proportional med analysandens koncentration. Eksempler på bindinger i biomolekylære (receptor / analyt) at ansøgningerne: antistof-antigen bindinger eller DNA hybridisering af et par af DNA-strenge (receptor / analyt) med komplementære sekvenser [42]. Biochips, der microcantilevers som følerelementer ikke kræver ekstern strøm, mærkning, ekstern elektronik eller fluorescerende molekyler eller signaltransduktion for deres drift. Disse typer af biochips kan anvendes i screening visse sygdomme som kræft og afsløre specifikke kemiske og biologiske kampstoffer såsom botulinum toxin, miltbrand, og aflatoksin. En kemisk sensor baseret på en mikromekanisk cantilever-array er blevet påvist ved Battison og medarbejdere [37]. Nanocantilevers: et stort gennembrud i Sensorer Nanocantilevers, 90 nm tyk og lavet af silicium nitrid, er blevet brugt af den gruppe af forskere ledet af Harold Craighead, Cornell Universitet at opdage et enkelt stykke dna 1578 basepar i længde [43]. Gruppen hævdede, at de præcist kan afgøre et molekyle med masse på omkring 0,23 attograms (1 attogram = 10 -18 gram), som anvender disse nanocantilevers. Forskerne placeret nanoskala guld prikker i det ender af køreledningsophæng, der fungerede som fange agenter for sulfid-modificeret dobbelt-strenget DNA. Men i princippet kunne guld nanodots bruges til at fange eventuelle biomolekyle at have et frit sulfid gruppe. Scanning laserstråler blev brugt til at måle vibrationelle frekvens køreledningsophæng. Forskerne mener, at nanodevices baseret på nanocantilevers ville fjerne behovet for PCR-amplifikation til påvisning af definerede DNA-sekvenser, hvilket forenkler metoder, der anvendes til at screene for specifikke gensekvenser og mutationer. Tilsvarende N. Nelson-Fitzpatrick et al. [44] Universitet af Alberta , Canada har lavet ultra tynde resonant nanocantilevers, i størrelsesordenen 10 nm, i aluminium-molybdæn kompositter. Gruppen hævder, at udviklingen af NEMS-baserede enheder i metalliske materialer ville gøre det muligt for nye områder af ansøgninger om direkte sansning af forskellige kemiske forbindelser dermed overflødiggøre behovet for mellemliggende overflade derivatisering. Forskere ved Purdue Universitet er involveret i skabelsen af nanocantilevers. De har ansat en bred vifte af nanocantilevers af varierende længde med tykkelse på omkring 30 nm og funktionaliserede dem med antistoffer for virus [45]. De kom op med meget interessante resultater vedrørende variationen i antistof tæthed mht. længden af nanocantilevers. Konklusioner Microcantilevers har fået potentielle anvendelsesmuligheder inden for alle områder af videnskab spænder fra fysiske og kemiske sensorer til biologiske sygdom diagnose. De store fordele ved at anvende microcantilevers som sensorer mekanismer i løbet af de konventionelle sensorer inkludere deres høje følsomhed, lave omkostninger, lav analyt krav (i μl), ikke-farligt procedure med færre trin (der ikke er behov for etiketter), hurtig respons og lavt strømforbrug . Vigtigst er det, at en vifte af microcantilevers kan anvendes til diagnosticering af et stort antal af analytter såsom forskellige sygdomme biomarkører for en enkelt sygdom på én gang og derved få enorm high throughput analyse kapaciteter. Den teknologi er nøglen til den næste generation af yderst følsomme sensorer. Med udviklingen af teknologien for nanocantilevers, har sensorer opnået attogram sensitivitet, som hidtil kun har været en drøm for forskere. Yderligere stigninger i følsomhed vil give forskere mulighed for at tælle antallet af molekyler. |
1. Grayson, ACR, Shawgo, RS, Johnson, AM, Flynn, NT, Li, Y., Cima, MJ & Langer, R. (2004) A BioMEMS anmeldelse: MEMS teknologi til fysiologisk integrerede enheder. Proc. IEEE, 92 (1), 6-21. 2. Polla, DL, Erdman, E., Robbins, WP, Markus, DT, Diaz, JD, Rinz, R., Nam , Y. & Brickner, HT (2000) Microdevices in Medicine. Ann. Rev Biomed. Eng. , 2, 551-76. 3. Wu, GH, DATAR, RH, Hansen, KM, Thundat, T., Cote , RJ & Majumdar, A. (2001) Biotest af prostata-specifikt antigen (PSA) ved hjælp af microcantilever. Nat. Biotek., 19, 856-60. 4. Arntz, Y., Seelig, JD, Lang, HP, Zhang, J., Hunziker, P., Ramseyer, JP, Meyer, E., Hegner, M. & Gerber, C. (2003) Label-fri protein assay baseret på en nanomechanical cantilever array. Nanoteknologi, 14, 86-90. 5. Subramanian, A., Oden, PI, Kennel, SJ, Jacobson, KB, Warmack, RJ, Thundat, T., Doktycz, MJ (2002) Glucose biosensorer ved hjælp af et enzym-belagt microcantilever. Appl. Phys. Lett., 81, 385-87. 6. Thaysen, J., Boisen, A., Hansen, O. & Bouwstra, S. (2000) Atomic force mikroskopi probe med piezoresistiv read-out og meget symmetrisk wheatstonebro arrangement. Sens Aktuatorer A, 83, 47-53. 7. Yang, M., Zhang, X., Vafai, K. & Ozkan, CS (2003) Høj følsomhed piezoresistiv cantilever design og optimering til analyt-receptor bindende. J. Micromech. Microeng., 13, 864-72. 8. Meyer, G. & Amer , NM (1988) Nye optiske tilgang til atomic force mikroskopi. Appl. Phys. Lett., 53 (12), 1045-47. 9. Blanc, N., Brügger, J., Rooij, NFD & Durig, U. (1996) Scanning Force Microscopy i den dynamiske tilstand Brug Microfabricated Kapacitive sensorer. J Vac. Sci. Teknologi. B, 14 (2), 901-05. 10. Erlandsson, R., McClelland, GM, Mate, CM & Chiang, S. (1988) Atomic force mikroskopi med optisk interferometri. J. Vac. Sci. Teknologi. A, 6 (2), 266-70. 11. Rugar, D., Mamin, HJ & Guethner, P. (1989) Forbedret fiber-optisk interferometer for atomic force mikroskopi. Appl. Phys. Lett., 55 (25), 2588-90. 12. Manalis, SR, Minne , SC , Atalar, A. & kelige, CF (1996) interdigital køreledningsophæng for atomic force mikroskopi. Appl. Phys. Lett., 69, 3944-46. 13. Kim, BH, Mader, O., Weimar , U., Brock, R. & Kern, DP (2003) Påvisning af antistof peptid interaktion med microcantilevers som overflade stress sensorer. J. Vac. Sci. Teknologi. B, 21 (4), 1472-1475. 14. Lavrik, NV, Tipple , CA , Sepaniak, MJ & Datskos, PG (2001) Guld Nano-strukturer for transduktion af biomolekylære interaktioner mikrometer skala bevægelser. Biomed. Microdevices, 3 (1), 35-44. 15. Stoney, GG (1909) spændingen af metalliske film deponeret af elektrolyse. Proc. Roy. Soc. London En Mater., 82, 172-75. 16. Thundat, T., Oden, PI & Warmack, RJ (1997) Microcantilevers sensorer. Micro. Thermophys. Eng. , 1, 185-99. 17. Wu, G., Ji, H., Hansen, K., Thundat, T., DATAR, R., Cote, R., Hagan, MF, Chakraborty, AK & Majumdar, A. (2001) oprindelse nanomechanical cantilever bevægelse genereres fra biomolekylære interaktioner. Proc. Natl. Acad. Sci.USA, 98, 1560-64. 18. http://monet.physik.unibas.ch/nose/ 19. http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev29-12/text/instru.htm 20. Raiteri, R., Nelles, G., Butt, HJ, Knoll, W. & Skladal, P. (1999) Sensing af biologiske stoffer baseret på den bøjning af microfabricated køreledningsophæng. Sens Aktuatorer B, 61, 213-17. 21. Alvarez, M., Calle, A., Tamayo, J., Lechuga, LM, Abad, A. & Montoya A. (2003) Udvikling af nanomechanical biosensorer til påvisning af pesticidet DDT. Biosens. Bioelectron. 18 (5-6), 649-53. 22. Ji, HF, Thundat, T., Dabestani, R., Brown, GM, Britt, PF & Bonnesen, PV (2001) ultrafølsomme påvisning af CrO42-ved hjælp af en microcantilever sensor. Anal. Chem., 73, 1572-76. 23. Barnes, JR, Stephenson, RJ, Welland , ME , Gerber, C. & Gimzewski, JK (1994) photothermal spektroskopi med femtojoule følsomhed ved hjælp af et mikromekanisk enhed. Natur, 372, 79-81. 24. Oden, PI, Chen, GY, Steele, RA, Warmack, RJ & Thundat, T. (1996) Tyktflydende træk målinger udnytte microfabricated køreledningsophæng. Appl. Phys. Lett., 68, 3814-16. 25. Berger, R., Gerber, C., Gimzewski, JK, Meyer, E. & Guntherodt, HJ (1996) Termisk analyse ved hjælp af et mikromekanisk kalorimeter. Appl. Phys. Lett., 69, 40-42. 26. Arakawa, ET, Lavrik, NV, Rajiv, S. & Datskos, PG (2003) detektion og differentiering af biologisk art efter microcalorimetric spektroskopi. Ultramicroscopy, 97 (1-4), 459-65. 27. Cherian, S. & Thundat, T. (2002) Bestemmelse af adsorption-induceret variation i fjederkonstanten for en microcantilever. Appl. Phys. Lett. 80 (12), 2219-21. 28. Britton, CL, Warmack, RJ, Smith, SF, Wintenberg, AL, Thundat, T., Brown, GM, Bryan, WL, Depriest, JC, Ericson, MN, Emery, MS, Moore, MR, Turner, GW, Clonts, LG, Jones, RL, Threatt, TD, Hu, Z. & RochelleMarch, JM (1999) Batteri-drevet, Trådløs MEMS sensorer med høj følsomhed kemiske og biologiske sensorer. Præsenteret på 1999 Symposium on Advanced Research i VLSI, Atlanta , GA , 359-68. 29. http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/658232-PJwJRU/webviewable/658232.pdf 30. Scandella, L., Binder, G., Mezzacasa, T., Gobrecht, J., Koegler, JH, Jansen, JC, Berger, R., Lang, HP, Gerber, C. & Gimzewski, JK (1998) Zeolit: materialer til nanodevices. Micropor. Mesopor. Mater., 21, 403-09. 31. Oden, PI, Thundat, T., Wachter, EA, Warmack, RJ, Datskos, PG & Hunter, SR (1996) Fjernbetjening infrarød stråling detektion ved brug af piezoresistiv microcantilevers. Appl. Phys. Lett., 69, 2986-88. 32. Yinon, J. (2003) Sporing af sprængstoffer ved hjælp af elektroniske næser. Anal. Chem., 75, 99A-105A. 33. Baller, MK, Lang, HP, Fritz, J., Gerber, C., Gimzewski, JK, Drechsler, U., Rothuizen, H., Despont, M., Vettiger, P., Battison, FM, Ramseyer, JP, Fornaro, P., Meyer, E. & Guntherodt, HJ (2000) En cantilever array-baserede kunstige næse. Ultramicroscopy, 82, 1-9. 34. http://bio.lsd.ornl.gov/highlights/2000feb2.htmlx 35. Lee, JH, Hwang, KS, Park, J., Yoon, KH, Yoon, DS & Kim, TS (2005) Immunoassay af prostata-specifikt antigen (PSA) ved hjælp af resonans frekvens skift af piezoelektriske nanomechanical microcantilever. Biosens. Bioelectron., 20, 2157-62 36. Chen, GY, Thundat, T., Wachter, EA & Warmack, RJ (1995) adsorption-induceret overflade stress og dens virkninger på resonansfrekvens microcantilevers. J. Appl. Phys., 77, 3618-22. 37. Battison, FM, Ramseyer J.-P., Lang, HP, Baller, MK, Gerber, C., Gimzewski, JK, Meyer, E. & Guntherodt, H.-J. (2001) En kemisk sensor baseret på en microfabricated cantilever array med samtidige resonans-frekvens og bøjning udlæsning. Sens Aktuatorer B, 77, 122-31. 38. Hansen, KM, Ji, HF, Wu, G., DATAR, R., Cote, R., Majumdar, A. & Thundat T. (2001) Cantilever-baserede optiske afbøjning assay for diskrimination af DNA enkelt-nucleotid paradoksproblemer. Anal. Chem., 73, 1567-71. 39. McKendry, R., Zhang, J., Arntz, Y., Strunz, T., Hegner, M., Lang, HP, Baller, MK, certa, V., Meyer, E., Guntherodt, HJ & Gerber, C . (2002) Multiple label-fri biodetection og kvantitative DNA-bindende analyser på en nanomechanical cantilever array. Proc. Natl. Acad. Sci.USA, 99 (15), 9783-88. 40. Fritz, J., Baller, MK, Lang, HP, Rothuizen, H., Meyer, E., Vettiger, P., Gunterodt, HJ, Gerber, C. & Gimzewski, JK (2000) Oversættelse biomolekylære anerkendelse i nanomekanik. Science, 288, 316-18. 41. Fodor, SPA, Rava, RP, Huang, XC, Pease, AC, Holmes, CP & Adams , CL (1993) Multiplexet biokemiske assays med biologiske chips. Natur, 364, 555-56. 42. Rowe, CA, Tender, LM, Feldstein, MJ, Golden, JP, Scruggs, SB, MacCraith, BD, kreditvurderingsbureauer, JJ & Ligler, FS (1999) Array biosensor til samtidig identifikation af bakterielle, virale, og protein analytter. Anal. Chem., 71 (17), 3846-52. 43. Llic, B., Yang, Y., Aubin, K., Reichenbach, R., Krylov, S., Craighead, HG (2005) Taelling af DNA-molekyler bundet til en nanomechanical oscillator. Nanoletters, 5 (5), pp. 925-929. 44. http://www.nsti.org/Nanotech2006/showabstract.html?absno=488 45. Gupta, AK, Nair, PR, Akin, D., Ladisch, MR, Broyles, S., Alam, MA, Bashir, R. (2006) unormale resonans i en nanomechanical biosensor. Proc. Natl. Acad. Sci.USA, 103 (36), 13362-13367. |