Molekulare Diagnostik-Geräte werden immer kleiner mit der Weiterentwicklung der Miniaturisierung. Es besteht ein zunehmendes Interesse im Bereich der Biosensorik Forschung über miniaturisierte Plattformen. Miniaturisierung ist essentiell für in vivo physiologische Überwachung, multiple Spezifität Sensor-Arrays, Sensor-Portabilität und minimiert Probenvolumina. Konventionelle Biosensoren benötigen aufwendige Verpackung, komplexe elektronische Schnittstellen und regelmäßige Wartung. Diese Nachteile könnten durch den Einsatz von MEMS-Geräte, Elektronik-und mikromechanischen Strukturen auf Chips zu integrieren reduziert werden. Microcantilevers haben für physikalische, chemische und biologische sensing eingesetzt. Sie haben auch große Anwendungen in der Medizin, speziell für das Screening von Krankheiten, Nachweis von Punktmutationen, Blutzuckermessgeräte und Detektion von chemischen und biologischen Kampfstoffen. Diese Sensoren haben mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen analytischen Techniken in Bezug auf die hohe Empfindlichkeit, geringe Kosten, einfache Handhabung, geringe Analyt Anforderung (in ul), Nicht-Ex-Verfahren und schnelle Antwort. Darüber hinaus hat die Technologie in den letzten Jahren für die Herstellung und Verwendung von Nanocantilevern zur Erfassung Anwendungen entwickelt worden, damit was zu nanoelectromechani technische Systeme (NEMS). Diese Entwicklung hat erhöhte sich die Nachweisgrenze bis zu dem Maße, wie Forscher sind jetzt in der Zählung der Moleküle. Mit der Fähigkeit des Hochdurchsatz-Analyse von Analyten und ultra sensitive Detektion, hält diese Technologie enorme Möglichkeiten für die nächste Generation von miniaturisierten und hoch empfindliche Sensoren. Messe empfindlichen Nachweis von Microcantilevers Ein Mikrocantilever ist ein Gerät, das als physikalische, chemische oder biologische Sensoren durch Feststellung der Veränderungen in Cantilever-Biege-oder Schwingungsfrequenz handeln können. Es ist die miniaturisierte Gegenstück ein Sprungbrett, das oben und unten bewegt in regelmäßigen Abständen. Diese Bewegung ändert sich, wenn eine spezifische Masse von Analyten spezifisch ist auf seiner Oberfläche ähnlich wie die Änderung adsorbiert, wenn eine Person betritt den Sprungturm. Aber microcantilevers sind eine Million Mal kleiner als das Sprungbrett mit Abmessungen im Mikrometer-und verschiedenen Formen, wie in Abbildung 1 dargestellt.  Abbildung 1. Verschiedene Arten von microcantilevers (Draufsicht) (a) Rechteckige (b) Doppel-legged (c) Dreieckige. Moleküle auf einer Mikrocantilever adsorbiert Ursache Schwingungsfrequenz ändert und Ablenkung des Mikrocantilever. Viskosität, Dichte und Durchfluss kann durch Feststellung der Veränderungen in der Schwingungs-Frequenz gemessen werden. Eine weitere Möglichkeit zur Detektion molekularer Adsorption wird durch die Messung Auslenkung des Cantilevers durch Adsorption Stress auf nur einer Seite des Auslegers. Abhängig von der Art der chemischen Bindung des Moleküls, kann die Ablenkung nach oben oder unten sein. Biochips mit mechanischen Detection-Systeme verwenden häufig Mikrocantilever bi-Material (z. B. Au-Si) Strahlen als Sensorelemente. Die Au Seite ist in der Regel mit einem bestimmten Rezeptor beschichtet. Nach der Bindung des Analyten (z. B. biologische Moleküle wie Proteine oder biologische Arbeitsstoffe) mit dem Rezeptor ist der Rezeptor Oberfläche entweder gespannt oder entlastet. Dies bewirkt, dass die Mikrocantilever abzulenken, in der Regel in Nanometern, die gemessen mittels optischer Techniken werden kann. Die Ablenkung ist proportional zur Konzentration des Analyten. Das Konzept hat sich in Screening bestimmter Krankheiten wie Krebs und Nachweis von spezifischen chemischen und biologischen Kampfstoffen eingesetzt. Mikrocantilever Deflection Nachweismethoden Die Piezoresistive Deflection Detection-Methode Die piezoresistive Methode [6-8] beinhaltet die Einbettung eines piezoresistiven Material in der Nähe der Oberseite des Auslegers, um den Stress zu ändern auftretenden an der Oberfläche des Auslegers aufnehmen. Als Mikrocantilever lenkt, wird es einer Belastung ändern, dass der Stamm der Piezowiderstand gelten, wodurch eine Änderung des Widerstandes, die mit elektronischen Mitteln gemessen werden kann. Der Vorteil der piezoresistive Methode ist, dass die Anzeige auf dem Chip integriert werden können. Der Nachteil ist, dass die Auslenkung Auflösung für die piezoresistive Auslesesystem nur ein Nanometer ist verglichen mit einem Angstrom durch optische Nachweisverfahren. Ein weiterer Nachteil der Methode ist, dass ein Piezowiderstand in der Cantilever eingebettet werden muss. Die Herstellung einer solchen Cantilever mit einer Verbundstruktur ist komplizierter. Die Piezowiderstand Material in den Strahl muss möglichst nahe an eine Oberfläche des freitragenden wie möglich für maximale Empfindlichkeit lokalisiert werden. Die Art der Dotierung für die Herstellung der piezoresistive verwendete Material ist ein wichtiger Faktor. Die piezoresistive Koeffizient der N-Typ-Silizium ist größer als die für P-Typ. Der Widerstand eines piezoresistiven Material ändert sich, wenn Belastungen auf sie angewendet wird. Die relative Änderung des Widerstandes als Funktion der angelegten Belastung kann geschrieben werden als:  wo K die Gage Factor, die einen wesentlichen Parameter ist. Die Indizes l und t beziehen sich auf die Längs-und Quer Teil der Gage Factor. Die Empfindlichkeit eines Piezowiderstand ändert sich proportional zur Dicke t und der Radius der Krümmung. Der K-Faktor ist proportional zum Elastizitätsmodul, E, deren Wesensmerkmal des Materials ist. Der K-Faktor kann auch direkt durch die Anspannung der Ausleger und die Messung der Widerstandsänderung berechnet werden.  wobei d die Spannung im Material-und R ist der Widerstand. Für ein empfindliches Gerät, sollte der k-Faktor in der Größenordnung von 100 liegen. Die piezoresistiven Cantilever-Beam kann als ein Arm der Wheatstone Brückenschaltung wie in Abbildung 2 gezeigt verwendet werden.  Abbildung 2. Die Wheatstone Brückenschaltung für die piezoresistive Mikrocantilever verwendet. Der Widerstand des variablen Widerstand Arm (  ) In der obigen Abbildung kann durch die Verwendung der gemeinsamen Spannungsteiler Formel bestimmt werden und wird wie unten dargestellt:  Es würde einen Widerstand ändern, wenn der Ausleger zu einer Auslenkung unterworfen werden. Die optische Ablenkung Detektionsverfahren Die optische Methode [8], wie in Abbildung 3 dargestellt, beschäftigt einen Laserstrahl mit sehr geringer Leistung von der Bestellung, dass keine Auswirkungen auf die Biomoleküle auf der Oberfläche des Mikrocantilever und eine Position Detektor (PSD) beschichtet. Der Laserstrahl fällt auf den Ausleger und bekommt wider wie die Gold-Schicht auf der Oberfläche der Cantilever-beschichtete gibt es eine fast spiegelglatte Oberfläche. Der reflektierte Strahl fällt auf den PSD. Wenn der Ausleger nicht abgelenkten dh es ist nicht mit einem Molekül beschichtet, würde der Laserstrahl an einer bestimmten Stelle auf dem PSD fallen. Da der Ausleger lenkt, die Position des Strahls verändert, was wiederum anhand entsprechender Elektronik ist. Der Vorteil dieser Detection System ist, dass sie zum Aufspüren von Ablenkung im Sub-Nanometerbereich. Aber auch diese Methode hat ihre eigenen Nachteile. Das Vorhandensein einer fokussierten Laserstrahl in eine Flüssigkeit Zelle Umgebung kann in zusätzliche thermische Management-Themen, die zu fremden Werten führen. Zweitens ist die Ausrichtung System teuer und mit großer Präzision, die letztlich zu erhöhen kann die Kosten des gesamten Diagnose-Kit. Darüber hinaus, sondern reduziert auch das Kit ist Portabilität.  Abbildung 3. Schematische Darstellung eines optischen System zur Erkennung von Mikrocantilever Ablenkung. Das reflektierte Laserlicht aus dem abgelenkten Mikrocantilever fällt an einer anderen Stelle auf der PSD. Abhängig von der Entfernung zwischen den beiden Positionen des Laserstrahls auf dem PSD, ist die Ablenkung des Mikrocantilever bestimmt. Die Kapazitive Deflection Detection-Methode Die kapazitive Methode [9] beruht auf dem Prinzip, dass, wenn die Federauslen Ort durch die Adsorption der Analyten erfolgt, die Kapazität eines Kondensators verändert Flugzeug basiert. Hier werden die Mikrocantilever ist eine der beiden Kondensatorplatten. Diese Auslenkung Technik ist sehr empfindlich und bietet absolute Verschiebung. Aber diese Technik ist nicht geeignet zur Messung von großen Verschiebungen. Darüber hinaus ist es nicht in Elektrolyt-Lösungen durch die faradische zwischen den kapazitiven Platten arbeiten. Daher ist es in seiner Sensor-Anwendungen beschränkt. Die Interferometrie Deflection Detection-Methode Diese optische Nachweismethode [10,11] basiert auf der Interferenz eines Referenz-Laserstrahls mit dem Laserstrahl durch die Cantilever reflektierten. Die gespaltene Ende einer optischen Faser liegt in der Nähe der Ausleger Oberfläche gebracht. Ein Teil des Lichts wird an der Schnittstelle zwischen Faser und umgebenden Medien reflektiert wird, und der andere Teil wird an der Cantilever wieder in die Faser reflektiert. Diese beiden Strahlen interferieren innerhalb der Faser, und das Störsignal mit einer Photodiode gemessen werden. Interferometrie ist eine sehr sensitive Methode, die einen direkten und absolute Messung der Verschiebung. In diesem Verfahren hat das Licht nahe an den Ausleger Oberfläche gebracht werden, um genügend reflektierte Licht zu bekommen. LWL wenige Mikrometer vom freien Ende der Mikrocantilever könnte Ablenkung in 0,01 A zu messen. Allerdings ist die Positionierung der Fasern eine schwierige Aufgabe. Die Methode eignet sich gut für kleine Verschiebungen, aber weniger empfindlich ist in Flüssigkeiten und damit nur von begrenztem Nutzen in Anwendungen in der Biosensorik. Das optische Beugungsgitter Deflection Detection-Methode Das reflektierte Laserlicht aus dem verzahnten Ausleger bildet ein Beugungsmuster, in denen die Intensität ist proportional zur Federauslen [12]. Dies kann für die Rasterkraftmikroskopie, Infrarot-Detektion und chemischen Sensorik eingesetzt werden. Die Charge Coupled Device (CCD) Detektionsverfahren Eine CCD-Kamera zur Messung der Auslenkung des Cantilevers in Reaktion auf Analyten wurde durch Kim verwendet und Mitarbeiter [13]. Die Position Detektor ist dabei die CCD-Kamera, die den Laserstrahl von der Cantilever ausgelenkt Datensätze. Mechanische Eigenschaften von Cantilevers Die grundlegenden mechanischen Parameter eines Auslegers sind die Federkonstante und die Resonanzfrequenz. Die Federkonstante k ist der Proportionalitätsfaktor zwischen aufgebrachten Kraft, F und die daraus resultierende Verbiegung des Cantilevers, z. Diese Beziehung wird als Hookeschen Gesetz. F =-kz Die Federkonstante ergibt sich die Steifigkeit des Auslegers. Bei einem rechteckigen Cantilever der Länge l, kann die Federkonstante geschrieben werden als  wobei E der Elastizitätsmodul und I ist das Trägheitsmoment. Ein typisches Federkonstante für einen stressfreien sensitive Cantilever im Bereich von 1 mN / m bis 1 N / m. Die Resonanzfrequenz f res für eine einfache rechteckige Cantilever kann wie folgt ausgedrückt werden  wo ρ die Massendichte ist, bezeichnet h und w die Höhe und die Breite des Auslegers bzw.. Das Trägheitsmoment für einen rechteckigen Cantilever kann geschrieben werden als  Eine einfachere Ausdruck für die Resonanzfrequenz als Funktion der Federkonstante geschrieben werden als  wo die Masse, m = ρ.hlw Das Verhältnis zeigt, dass die Resonanzfrequenz als Funktion der zunehmenden Federkonstante und der abnehmenden Cantilever Masse erhöht. Die Verwendung von microcantilevers wurde weltweit verstanden, aber die Biomechanik [14] und die zugrunde liegenden Mechanismus der Mikrocantilever Ablenkung ist noch nicht vollständig etabliert. Biegen Verhalten der Cantilever Beams Eine einheitliche Oberfläche wirkende Spannung auf einem isotropen Material erhöht (im Falle der Druckspannung) oder verringert (bei Zugspannung) die Fläche, wie in Abbildung 4 dargestellt. Wenn dieser Stress ist nicht auf der gegenüberliegenden Seite einer dünnen Platte oder Balken ausgeglichen, wird die ganze Struktur zu biegen. Zwischen den Bereichen Druck-und Zugspannung, gibt es eine neutrale Ebene, die nicht verformt wird. Durch Biegen, ist eine Kraft F in einem Abstand von x in der neutralen Ebene ergibt sich ein Biegemoment M = Fx Daher ist der Krümmungsradius R ist gegeben durch Handeln: 1 / R = d 2 z / dx 2 = M / EI wobei E die scheinbare Young-Modul und I ist das Trägheitsmoment durch die folgende Gleichung für rechteckige Balken gegeben  Die Veränderung der Oberflächenspannung an einer Seite des Balkens verursachen statische Durchbiegung und das Biegemoment kann wie folgt berechnet:  Δσ = σ 1 - σ 2 ist die Differenz Oberfläche Stress mit σ 1 und σ 2 als Oberflächenspannung an der Ober-und Unterseite des Cantilevers (Abbildung 5). Einsetzen dieser Werte von I und M in der ersten Gleichung ergibt Stoney-Formel [15]:   Abbildung 4. Biegen eines Ausleger in Reaktion auf Druck-und Zugspannungen. (A) Druckfestigkeit Oberfläche Stress durch Abstoßung zwischen den Biomolekülen führt nach unten / negative Auslenkung der Ausleger. (B) Zug-Oberfläche Stress durch Anziehung zwischen Molekülen führt nach oben / positive Auslenkung der Ausleger.  Abbildung 5. Seitenansicht einer dünnen Biegebalken mit einer Dicke von t unterworfen Druckspannung. σ 1 ist die Belastung an der Oberseite und σ 2 ist die Belastung an der unteren Fläche des Auslegers. Der Ausleger biegt mit einer konstanten Krümmungsradius R. Unter Berücksichtigung der Randbedingungen eines Auslegers (R »L), kann die obige Gleichung gelöst werden und die Verschiebung der Ausleger kann geschrieben werden als:  Änderungen in der Oberflächentechnik Stress kann das Ergebnis der Adsorption oder elektrostatische Wechselwirkungen zwischen geladenen Molekülen auf der Oberfläche sowie Veränderungen in der Oberfläche Hydrophobie und Konformationsänderungen der adsorbierten Moleküle werden. Neben Oberfläche Stress-induzierten Biegen, kann die Volumenausdehnung Bimaterial Ausleger in einer statischen Durchbiegung führen. Ein Bimaterial Cantilever erfährt Biegen durch Gasadsorption, wenn das Volumen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien unterschiedlich sind. Mikrocantilever Sensoren Biosensorik Anwendungen erfordern schnelle, einfach zu bedienende, kostengünstige und hoch sensitive Methoden zum Nachweis von Analyten zusammen mit der Fähigkeit für das Hochdurchsatz-Screening. Alle diese Punkte können durch mikromechanische Cantilever-Sensoren, die daher ideale Kandidaten für Biosensorik Anwendungen erfüllt werden. Die verschiedenen Anwendungen von Mikrocantilever Sensoren sind in Abbildung 6 zusammengefasst.  Abbildung 6. Applications von Mikrocantilever-basierte Sensoren. Mikrocantilever Sensoren [16] sind die einfachsten MEMS-Geräte, die eine vielversprechende Zukunft für die Entwicklung von neuartigen physikalischen, chemischen und biologischen Sensoren bieten. Sie sind die jüngsten und modernsten Analyt-Detection-Systeme mit der Nachweisgrenze weit niedriger als die modernsten Techniken, die derzeit eingesetzt werden. Die adsorbierte Masse des Analyten bewirkt, dass die nanomechanischen Biegung des Mikrocantilever. Die Veränderung der Masse auf dem Mikrocantilever Oberfläche durch die Bindung der Analyt-Moleküle ist direkt proportional zu der Auslenkung der Mikrocantilever. So können sowohl qualitative als auch quantitative Nachweis von Analyten durchgeführt werden. Materials in Commercial Cantilevers Gebrauchte Die kommerzielle Ausleger sind in der Regel aus Silizium, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid und sind in einer Vielzahl von verschiedenen Formen, Abmessungen und Kraft Empfindlichkeiten erhältlich. Jüngste Entwicklungen kombinieren die neuesten integrierten Schaltkreis (IC) und komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-Technologien, intelligente extrem kleinen Ausleger in Form eines Arrays zu erzeugen. Cantilevers Einsatz in Non-Contact-Modi In den letzten Jahren einen zweiten Schritt in der Evolution der Verwendung von Auslegern, wodurch sie nicht mehr in Kontakt mit einer Oberfläche gebracht erlebt. Sie sind jetzt in der Sensorik bietet eine völlig neue Art von miniaturisierten Sensor über die grundlegenden Prinzipien der Physik wie die Bimetall-Effekt, Oberfläche Stress oder des harmonischen Oszillators eingesetzt. Vorteile der Mikrocantilever-basierte Sensoren Mikrocantilever Sensoren haben ein enormes Potenzial für den Nachweis von verschiedenen Analyten in gasförmigen, Vakuum und flüssigen Medium. Sie haben großes Interesse wegen ihrer hohen Spezifität, hohe Empfindlichkeit, Einfachheit, niedrige Kosten, niedrige Analyt Anforderung (in ul), Nicht-Ex-Verfahren mit weniger Schritten, schnelle Reaktion und niedrigen Leistungsbedarf geweckt. Stoffe in Spuren werden derzeit von verschiedenen Techniken, wie Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC), Dünnschichtchromatographie (TLC), Gaschromatographie (GC), Gas-Flüssigkeits-Chromatographie (GLC) etc. Allerdings erkannt wird, werden diese Techniken komplex, zeitaufwendig, kostspielige und sperrige Instrumente. Auch die Probenvorbereitung ist ein längerer komplexer Vorgang und erfordert qualifiziertes Personal. Aber die Mikrocantilever-basierte Sensoren können Spuren von Substanzen in Teilen pro Milliarde (ppb) und parts-per-Billion (ppt) zu erkennen. Sie übersetzen biomolekularen Erkennung in nanomechanischen Biegung des Mikrocantilever [17]. Zwischenmolekulare Kräfte, die sich aus der Adsorption von Analyt-Moleküle auf der Oberfläche bewegen Mikrocantilever Stress, die sich unmittelbar in nanomechanischen Biegung des Mikrocantilever. Sensing Applications von Microcantilevers in Physik und Chemie Die Cantilever-Sensoren verfügen über umfangreiche Anwendungen in Physik und Chemie. Sie können zur Schallwelle Geschwindigkeiten, Fluid-Drücke und Durchflussmengen zu messen, und kann so angepasst werden selektiv abholen akustischen Schwingungen werden. Biotoxine konnte mit einer Empfindlichkeit im ppt-Bereich durch die Beschichtung einer Seite des Auslegers mit monoklonalen Antikörpern, die spezifisch für die jeweilige Biotoxin erkannt werden. Die Auswirkungen der kleinen atmosphärischen Veränderungen können in der Resonanz des schwingenden Cantilevers zu spüren sein. Auswirkungen der Bestrahlung mit UV-Strahlung kann durch die Wahl der richtigen polymere Beschichtung erfasst werden. Es wurde beobachtet, dass Siliziumnitrid Ausleger mit Gold auf einer Seite beschichtet sehr empfindlich auf pH-Änderungen sind. Auf dieser Grundlage kann Cantilever basierte Sensoren, um die pH-Änderung zu erkennen. Sie wurden ebenfalls verwendet, um Quecksilberdampf-, Feuchte-, Erdgas-, Gas-Gemische, Toluol erkennen und Blei in Wasser. Arten von Sensoren auf Basis Micro und Nanocantilevern Feuchtigkeitssensoren Die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung kann gemessen werden, wenn eine Seite des Mikrocantilever mit Gelatine [18] beschichtet ist. Gelatine bindet an den Wasserdampf in der Atmosphäre vorhanden, wodurch die Verbiegung des Cantilevers. Forscher am Oak Ridge National Laboratory (ORNL), USA zeigten, dass Ausleger mit hygroskopischen Materialien wie Phosphorsäure beschichteten als Sensor zur Detektion von Wasserdampf mit Pikogramm Massenauflösung [19] verwendet werden kann. Wenn Wasserdampf auf der beschichteten Oberfläche des freitragenden adsorbiert sind, gibt es Änderungen in der Resonanzfrequenz des microcantilevers und Federauslen. Empfindlichkeit der microcantilevers kann durch eine Beschichtung der Oberfläche mit Materialien mit einer hohen Affinität für den Analyten erhöht werden. Herbizid-Sensoren Microcantilevers wurden verwendet, um die Konzentration von Herbiziden in der flüssigen Umgebung erkennen von Roberto Raiteri und Mitarbeiter [20]. Das Herbizid 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) wurde auf der Oberseite des Auslegers beschichtet. Der monoklonale Antikörper gegen 2,4-D wurde dann auf dem Ausleger zur Verfügung gestellt. Die spezifische Wechselwirkung zwischen dem monoklonalen Antikörper und das Herbizid verursacht die Verbiegung des Cantilevers. Viel Forschung wird auf Antikörper-beschichteten Cantilever immunobiosensors für den Nachweis von chlororganischen und phosphororganischen Pestiziden und Herbiziden anwesend ng / l Konzentration in wässrigen Medien zu entwickeln. Alvarez und Mitarbeiter zeigten den Einsatz von microcantilevers für den Nachweis von Pestiziden Dichlor Diphenylether Trichlorethan (DDT) [21]. Metall-Ion-Sensoren Mikrocantilever Sensoren wurden eingesetzt, um eine Konzentration von 10 -9 M CrO 4 2 zu erkennen - in einer Durchflusszelle [22]. In diesem Gerät wurde eine selbstorganisierte Schicht aus Triethyl-12-mercaptododecyl Ammoniumbromid auf der gold-beschichtete Mikrocantilever Oberfläche verwendet. Microcantilevers könnte für die chemische Detektion von einer Reihe von gasförmigen Analyten verwendet werden. Ein Multielement-Sensor-Array-Gerät beschäftigt microcantilevers gemacht, um verschiedene Ionen gleichzeitig zu erkennen sein. Temperatursensoren / Hitze-Sensoren Veränderungen in der Temperatur und Wärme verbiegen einem Ausleger von Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten komponiert von dem Bimetall-Effekt. Mikrocantilever Sensoren können Veränderungen in der Temperatur so klein wie 10 -5 K zu messen und kann für die Foto-thermischen Messung verwendet werden. Sie können als Mikrokalorimetern verwendet werden, um die Wärmeentwicklung in katalytischen Reaktionen und Enthalpie Veränderungen bei Phasenübergängen zu studieren. Bimetall microcantilevers durchführen können photothermischen Spektroskopie [23] mit einer Sensitivität von 150 fJ und ein Sub-Millisekunden-Auflösung. Sie können Wärme ändert sich mit attojoule Empfindlichkeit zu erkennen. Viskosität Sensoren Änderungen in das Medium Viskoelastizität Verschiebung der Cantilever-Resonanzfrequenz. Eine hochviskose Medium Umgebung des Auslegers sowie eine zusätzliche Masse dämpfen Cantileveroszillation Senkung ihrer fundamentalen Resonanzfrequenz. Cantilevers kann daher durch piezoelektrische Aktuatoren in Schwingung versetzt werden zu schwingen und als Viskosität m [24]. Calorimetry Sensoren In dieser Sensoren werden nur die Temperaturschwankungen zu messen [25,26] werden. Die meisten chemischen Reaktionen sind mit einer Änderung in Wärme assoziiert. So hat Kalorimetrie ein enormes Potenzial für eine Vielzahl von Verbindungen zu identifizieren hat. Enzyme wie Glucose-Oxidase immobilisiert werden und beschichtet die Oberfläche des Mikrocantilever, die spezifisch mit Glukose in der Lösung Herstellung einer erkennbaren kalorimetrische Signal. Aufgrund der kleinen thermischen Masse und der Empfindlichkeit des Auslegers wird Kalorimetrie Sensoren mit Ausleger nächste Generation von Sensoren zur Erfassung von Temperatur ändert. Sensor Erkennung Magnetic Beads Baselt und Mitarbeiter [27] erklärt die Möglichkeit der Verwendung microcantilevers wie Kraftaufnehmer, um die Anwesenheit von Rezeptor-beschichteten magnetischen Kügelchen zu erkennen. Es ist möglich, das Vorhandensein von einzelnen um Größe Magnetic Bead Aufkleben auf die funktionalisierten Cantilever Oberfläche zu erkennen durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes und der Messung der Ablenkung des Mikrocantilever. Eine extrem empfindliche Sensor kann durch Kennzeichnung der Analyt mit magnetischen Beads werden. Cantilever Basierend Telemetriesensoren Cantilever Basis Telemetrie-Sensoren [28] einsetzen wird fieldable Geräte Relais relevante Daten zu zentralen Sammelstellen. Sie ermöglichen den Einsatz von mobilen Einheiten getragen oder durch Personal und verdrahteten Sensoren in einigen Anwendungen ersetzen. Forscher am ORNL bauen eine mikrostrukturierte Chips mit integrierten elektronischen Verarbeitung und Telemetrie. Sie arbeiten auch an einer Methode, um verschiedene Arten zu erkennen. Mikrosensoren zur Missile Lagerung und Wartung Needs-Monitor Miniaturisierte Mikrocantilever Sensoren mit Remote-Wireless-Monitoring-Fähigkeit wurden verwendet, um Einblick in die Halde Zustand [29] zu gewinnen. Diese Technologie wird Munition Lebensdauer auf Umgebungsparameter wie Feuchtigkeit Basis zu bewerten, Temperatur, Druck, Stoß und Korrosion sowie einige andere Indikatoren für Treibstoff Abbau einschließlich NOx. Single-Chip-Detektoren mit Elektronik und Telemetrie konnte mit mehreren hundert Cantilever als Array entwickelt werden, um gleichzeitig zu überwachen, zu identifizieren und zu quantifizieren, viele wichtige Parameter. Corrosion Sensoren haben das Leben in mittelschweren bis schweren Umgebungen beschränkt. Systeme aufbauen müssen, um Umwelt-Daten für eine bessere Kenntnis der Umgebungsbedingungen zu sammeln. Es besteht ein Bedarf an Materialien wie Zeolithe zu entwickeln [30] für den Einsatz als sensibilisierend Beschichtungen für den spezifischen Nachweis. Zeolithe sind thermisch stabil Aluminosilicat Gerüststrukturen kommerziell als Molekularsiebe, Katalysatoren, Ionenaustauscher und chemische Absorber eingesetzt. Sie weisen eine ausgezeichnete Selektivität und selektive thermische Desorption Eigenschaften. Infrared Radiation Detection-Sensoren Ein Remote-Infrarot-(IR-) Strahlung Erkennungssensor wurde von Oden und Mitarbeiter [31] entwickelt worden. Der Sensor besteht aus einer piezoresistiven Cantilever mit einer Wärme absorbierenden Schicht beschichtet ist. Piezoresistive microcantilevers eine wichtige Entwicklung in ungekühlten IR-Detection-Technologie. Der Cantilever erfährt Biegen aufgrund der unterschiedlichen Spannungen zwischen der Beschichtung und dem Substrat. Die freitragende Biegung führt zu einer Veränderung in der Piezowiderstands, die proportional zur Menge der Wärme absorbiert wird. Temperaturschwankungen können durch Beschichtung der Freischwinger mit einem anderen Material, das die Bimetall-Effekt führt die Verbiegung des Cantilevers Ursachen erkannt werden. So können kalorimetrische Detektion von chemischen Reaktionen erfolgen. Gold-schwarz wäre wie die IR-absorbierenden Material dienen. Hohe Wärmeausdehnung Bimaterial Beschichtungen wie Al, Pb und Zn verwendet werden, um die thermisch induzierte Biegung des Mikrocantilever zu erhöhen. Zweidimensionale Cantilever-Arrays für IR-Imaging verwendet werden, da sie einfach sehr empfindlich und schnell reagiert werden. Zum Aufspüren von Sprengstoffen Devices Es wird angenommen, dass Hunde haben erstaunliche Riechen Macht kam, der Grund, warum sie häufig in der Detektion von Explosivstoffen eingesetzt werden. Hunde können Sprengstoffe durch Schnüffeln leicht verdampft organische Chemikalien anwesend Konzentration so niedrig wie Teile pro Milliarde entdecken. Viele Gruppen führen aktive Forschung mit der Absicht, eine "Nase-on-a-chip"-Vorrichtung mit der duftenden Macht genau ähnlich der Nase des Hundes. In dieser "Nase-on-a-chip"-Gerät [32,33], ein Mikrocantilever Array kann in dem jeder Cantilever anders wird beschichtet werden, um abholen eine spezifische organische Verbindung sein. Es kann in unserem Alltag Artikel wie Schuhe eingearbeitet werden, Gehstock, Handtasche etc., die Sprengstoff, ohne dass die Täter wissen um die Suchaktion zu erkennen. Das Gerät wäre eine großartige Leistung aus dem Blickwinkel der Sicherheit und würde große Unfälle zu vermeiden. Ein Mikrocantilever mit Platin oder ein Übergangsmetall beschichtet mit Trinitrotoluol (TNT) reagieren, wenn es um 570 ° C erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten für 0,1 Sekunden. Die Reaktion von TNT mit dem Cantilever-Beschichtung führt zu einer Mini-Explosion. Thundat und seine Gruppe [34] entwickeln eine Streichholzschachtel-Größe Gerät Sprengstoff in Fluggepäck und Landminen auf dieser Technik basierende erkennen. Sensing Applications von Microcantilevers auf dem Gebiet der Diagnose von Krankheiten Cancer Detecting Microchips Arun Majumdar und Mitarbeiter [3] haben Mikrocantilever Basis sensitive Assay für die Diagnose von Krebs nachgewiesen. Sie beschichten die Oberfläche des Mikrocantilever mit spezifischen Antikörpern gegen Prostata-spezifischen Antigens (PSA), ein Prostatakrebs-Marker im Blut von Patienten mit Prostatakrebs gefunden. Wenn der PSA-beschichteten Mikrocantilever mit der Blutprobe des Patienten mit Prostatakrebs interagierten, wurde Antigen-Antikörper-Komplex gebildet, und die Cantilever gebogen durch die adsorbierte Masse der Antigen-Moleküle. Der Nanometer Biegung des Auslegers wurde optisch durch einen schwachen Laserstrahl mit Sub-Nanometer-Präzision mit einem Photodetektor nachgewiesen. Diese Mikrocantilever basierter Assay wurde empfindlicher als herkömmliche biochemischen Techniken zum Nachweis von PSA, wie sie erkennen kann Antigen ein niedrigeres Niveau als klinisch relevanten Schwellenwert. Die Technik ist so gut wie und möglicherweise besser als ELISA. Darüber hinaus sind die Kosten pro Test weniger, da es keine Notwendigkeit, fluoreszierende Markierungen anzubringen oder radioaktive Markierung der Moleküle. Der Nachweis von PSA auf die Resonanzfrequenz Verschiebung des piezoelektrischen nanomechanischen Mikrocantilever war auch von Lee und Mitarbeiter [35] bewiesen. Myoglobin Sensoren für Raiteri und seine Gruppe [4] eingesetzt microcantilevers mit anti-Myoglobin monoklonaler Antikörper auf der Oberfläche von sulfosuccinimidyl 6 beschichtet - [3 - (2-pyridyldithio)-Propionamido] Hexanoat (Sulfo-LC-SPDP) Vernetzer. Wenn die menschlichen Serum zur Verfügung gestellt wurde, Myoglobin, die anti-Myoglobin gebunden, wodurch eine Auslenkung des Mikrocantilever. 85 ng / ml Myoglobin war leicht zu erkennen, was der physiologischen Konzentration im gesunden menschlichen Serum. Glucose Biosensoren Pei und Mitarbeiter [36] berichtet, eine Technik für mikromechanische Detektion biologisch relevanter Glukosekonzentrationen durch Immobilisierung von Glucose-Oxidase auf die Mikrocantilever Oberfläche. Das Enzym-funktionalisierte Mikrocantilever erfährt Biegen aufgrund einer Änderung in der Oberflächentechnik Stress, der durch die Reaktion von Glucose-Oxidase auf der Cantilever-Oberfläche mit Glucose in Lösung immobilisiert induziert. Die Experimente wurden unter Strömungsbedingungen durchgeführt und es wurde gezeigt, dass die gemeinsame Störungen für die Glucose-Erkennung keinen Einfluss auf die Messung von Blutzucker hatte. Biosensoren für die koronare Herzkrankheit Eine klinische biochemische Sensor Antrag gestellt worden ist [37], wo die Adsorption von Low-Density-Lipoproteine (LDL) und deren oxidierte Form (oxLDL) auf Heparin durch die Messung der Oberflächenspannung beschäftigt Biosensorik microcantilevers wurden differenziert. Die Fähigkeit, diese beiden Arten zu unterscheiden ist von Interesse, weil ihre Aufnahme aus dem Plasma vor allem begünstigt die oxidierte Form, die vermutlich verantwortlich für die Akkumulation von Cholesterin in der Aorta in der Zeit ist und mit der ersten Stufe der koronaren Herzkrankheit assoziiert. Die Methode wurde auch verwendet, um Konformationsänderungen in zwei Plasmaproteine, Immunglobulin G (IgG) und Albumin (BSA), die durch ihre Adsorption an einer festen Oberfläche in einem Puffer Umwelt induzierte erkennen. Dieses Phänomen ist von entscheidender Bedeutung in der biomedizinischen Anwendungen mit festen Oberflächen, wurde aber nur schwer mit herkömmlichen Adsorptionsverfahren zu messen. Cantilever basierte Sensoren, um Single-Nucleotide Polymorphisms Detect Einzel-Nukleotid-Polymorphismen (SNPs) in der bekannten Gensequenzen und das Genom sind die Hauptanliegen der Genomforschung. Punktmutationen verursachen mehrere Krankheiten wie Thalassämie, Tay Sachs, Alzheimer etc. Daher werden die Bemühungen um die Einzel-Nukleotid-Polymorphismus Erkennung in der Früherkennung dieser Krankheiten Hilfe und wird in der Behandlung von Patienten mit derartigen Erkrankungen zu helfen. Eine effektive und zuverlässige Methode zum Aufspüren solcher einzelner Basenpaare Mismatches wird durch die Verwendung microcantilevers die extrem empfindlich auf bestimmte biomolekularen Erkennung Wechselwirkungen zwischen der Sonde und DNA-Sequenz der Ziel-DNA-Sequenz sind. Sie können Konzentration im Piko-bis Femtogramm Bereich zu erkennen. Thiolierten DNA Sonden, die spezifisch für die jeweilige Ziel-DNA-Sequenz auf dem gold-beschichtete Mikrocantilever immobilisiert. Hybridisierung mit der vollständig kostenfreien Ziel-DNA-Sequenz bewirkt, dass der positive Netto-Auslenkung des Cantilevers. Net positive Ablenkung ist eine Folge der Reduktion der Konfigurationsentropie von dsDNA gegen ssDNA, welche die Reduktion der Druckkräfte auf die Gold-Seite des Auslegers verursacht. Die Hybridisierung der Sonden-DNA mit Ziel-DNA mit einem oder zwei Basenpaar-Fehlpaarungen Ergebnisse in eine negative Auslenkung des Cantilevers durch erhöhte abstoßende Kräfte auf die gold-beschichtete Oberfläche der Mikrocantilever ausgeübt. Die Ablenkung ist größer für die Ziel-DNA mit zwei Basenpaar Mismatches als für die Ziel-DNA mit einem Basenpaar mismatch. Der Grad der Abstoßung steigt die Zahl der Basenpaare Mismatches zu erhöhen [38]. McKendry [39] zeigten mehrere label-free Biodetektion und quantitative DNA-Bindungs-Assays auf einem nanomechanischen Cantilever-Array. Diese DNA-basierten Mikrocantilever Ablenkung Assays wäre ein Segen für den Bereich der Pharmakogenomik, die Medikamente gezielt gemacht, um die SNPs Ziel entwickeln wird. Diese Assays haben eine schnelle Ansprechzeit von weniger als 30 Minuten und sind viel billiger als die anderen Techniken, die derzeit verwendet werden, um die SNPs zu erkennen. Es ist ein einfaches Verfahren und die Ausgabe, dh der Cantilever-Auslenkung ist ein einfaches + / - Signal. Aktuelle Hybridisierung Nachweisverfahren wie Southern-Blot erfordern hoch-stringenten Reaktionsbedingungen während der Mikrocantilever-basierte Technik erfordert nur einen physiologischen Puffer und Raumtemperatur (25 ° C). Details über die Umwandlung der biomolekularen Erkennung in Nanomechanik sind in [40] gegeben. Southern-Hybridisierung ist sehr langwierig, teuer, gefährlich und zeitraubend. Auf der anderen Seite, halten microcantilevers ein großes Versprechen für die medizinische Diagnostik, weil nicht nur die Gegenwart, aber die Lage der Fehlanpassungen gefunden werden kann. Biochips Jüngste Fortschritte in der Bio-Chips [41,42] haben gezeigt, dass die Sensoren auf das Biegen von mikrostrukturierten Ausleger auf potenzielle Vorteile gegenüber bisher verwendeten Nachweisverfahren haben. Biochips mit mechanischen Detection-Systeme verwenden Mikrocantilever Bimaterial (z. B. Au-Si) Strahlen als Sensorelemente. Die Au Seite ist in der Regel mit einem bestimmten Rezeptor beschichtet. Nach der Bindung des Analyten (z. B. biologische Moleküle wie Proteine oder biologische Arbeitsstoffe) mit dem Rezeptor ist der Rezeptor Oberfläche entweder gespannt oder entlastet. Dies bewirkt, dass die Mikrocantilever abzulenken und die Ablenkung erwies sich als proportional zur Konzentration des Analyten. Beispiele für Bindungen in biomolekularen (Rezeptor / Analyt)-Anwendungen sind: Antikörper-Antigen-Bindungen oder DNA-Hybridisierung aus einem Paar von DNA-Stränge (Rezeptor / Analyt) mit komplementären Sequenzen [42]. Biochips mit microcantilevers als Sensorelemente benötigen keine externe Stromversorgung, Etikettierung, externe Elektronik oder fluoreszierende Moleküle oder Signaltransduktion für ihren Betrieb. Diese Arten von Biochips können in Screening bestimmter Krankheiten wie Krebs und Nachweis von spezifischen chemischen und biologischen Kampfstoffen wie Botulinumtoxin, Milzbrand und Aflatoxin verwendet werden. Ein chemischer Sensor auf einem mikromechanischen Cantilever Array basierten wurde von Battison nachgewiesen und Mitarbeiter [37]. Nanocantilevern: ein großer Durchbruch in Sensoren Nanocantilevern, 90 nm dick und besteht aus Siliziumnitrid, wurden von der Gruppe von Forschern von Harold Craighead führte verwendet worden, Cornell Universität zu erkennen, ein einziges Stück DNA 1578 Basenpaare lang [43]. Die Gruppe behauptete, sie können genau bestimmen, ein Molekül mit einer Masse von etwa 0,23 attograms (1 Attogramm = 10 -18 g) den Einsatz dieser Nanocantilevern. Die Forscher platziert nanoskaligen Gold Punkte an den Enden der Ausleger, die als Capture-Agenten für Sulfid-modifizierten doppelsträngige DNA gehandelt. Aber im Prinzip könnte Gold Nanodots verwendet werden, um Biomoleküle mit einem freien Sulfid-Gruppe zu erfassen. Scanning Laserstrahlen wurden verwendet, um die Schwingungsfrequenz der Ausleger zu messen. Die Forscher glauben, dass Nanomaschinen auf Nanocantilevern basiert, würde die Notwendigkeit für die PCR-Amplifikation zur Detektion von definierten DNA-Sequenzen zu eliminieren und so zu vereinfachen Methoden zum Screening von spezifischen Gensequenzen und Mutationen. Auch N. Nelson-Fitzpatrick et al. [44] an der Universität von Alberta , Kanada haben ultradünne resonant Nanocantilevern, in der Größenordnung von 10 nm, in Aluminium-Molybdän-Verbundwerkstoffen. Die Gruppe behauptet, dass die Entwicklung von NEMS-basierten Geräten in metallischen Werkstoffen würden neue Anwendungsgebiete für die direkte Erfassung der verschiedenen chemischen Verbindungen wodurch die Notwendigkeit von Zwischen-Oberfläche Derivatisierung zu ermöglichen. Forscher an Purdue Universität beteiligt sind, in die Schaffung von Nanocantilevern. Sie beschäftigt eine Reihe von Nanocantilevern von unterschiedlicher Länge mit einer Dicke von etwa 30 nm und funktionalisierte sie mit Antikörpern auf Viren [45]. Sie kamen mit sehr interessanten Ergebnissen in Bezug auf die Variation der Antikörper Dichte bzgl. der Länge der Nanocantilevern. Schlussfolgerungen Microcantilevers haben potentielle Anwendungen in allen Bereichen der Wissenschaft von physikalischen und chemischen Sensorik auf biologische Diagnose von Krankheiten hat. Die wesentlichen Vorteile des Einsatzes microcantilevers als sensing Mechanismen gegenüber den herkömmlichen Sensoren sind ihre hohe Empfindlichkeit, niedrige Kosten, niedrige Analyt Anforderung (in ul), Nicht-Ex-Verfahren mit weniger Schritten (so dass kein Bedarf für Etiketten), schnelle Reaktion und geringer Leistungsbedarf . Am wichtigsten ist die Tatsache, dass eine Reihe von microcantilevers für die Diagnose einer großen Zahl von Analyten, wie verschiedene Krankheiten Biomarker für eine einzelne Krankheit in einer einzigen eingesetzt werden können gehen damit mit enorm hohen Durchsatz Analysemöglichkeiten. Die Technologie ist der Schlüssel zu der nächsten Generation von hochempfindlichen Sensoren. Mit der Entwicklung der Technologie für Nanocantilevern haben Sensoren Attogramm Empfindlichkeit, die bis vor kurzem nur ein Traum für Forscher erreicht wurde. Weitere Erhöhungen der Empfindlichkeit erlaubt es den Forschern die Möglichkeit, die Anzahl von Molekülen zählen. |
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