OARS - Open Access Rewards System
DOI : 10.2240/azojono0115

Una Revista de Microcantilevers para Detectar Aplicaciones

Sandeep Kumar Vashist

Derechos De Autor AZoM.com Pty Ltd.

Esto es un artículo del Sistema de las Recompensas del Acceso Abierto del AZo (AZo-REMOS) distribuido de conformidad con los AZo-REMOS http://www.azonano.com/oars.asp que el uso sin restricción de los permisos proporcionó al trabajo original se cita pero se limita correctamente a la distribución y a la reproducción no comerciales.

Sometido: 22 de mayo de 2007nd

Asentado: 18 de junio de 2007th

Temas Revestidos

Extracto

Palabras Claves

Introducción

Detección Sensible En Masa por Microcantilevers

Métodos de Detección de la Desviación de Microcantilever

El Método de Detección Piezorresistivo de la Desviación

El Método de Detección Óptico de la Desviación

El Método de Detección Capacitivo de la Desviación

El Método de Detección de la Desviación de la Interferometría

El Método de Detección Óptico de la Desviación de la Red Difractora

El Método de Detección del Dispositivo (CCD) Acoplado Carga

Propiedades Mecánicas del Voladizo

Comportamiento Que Dobla de Haces Voladizos

Sensores de Microcantilever

Materiales Usados en Voladizos Comerciales

Los Voladizos Utilizan en Modos Sin contacto

Ventajas de Sensores Microcantilever-Basados

Tipos de Sensores Basados en el Micrófono y Nanocantilevers

Detectar Aplicaciones de Microcantilevers en la Física y la Química

Sensores de la Humedad

Sensores del Herbicida

Sensores del Ión del Metal

Sensores de Temperatura/Sensores del Calor

Sensores de la Viscosidad

Sensores de la Calorimetría

Sensor Que Detecta Bordes Magnéticos

Sensores Basados Voladizos de la Telemetría

Microsensors Para Vigilar Necesidades del Almacenamiento y del Mantenimiento del Misil

Sensores Alejados de la Detección de la Radiación Infrarroja

Dispositivos de Detección de los Explosivos

Detectar Aplicaciones de Microcantilevers en el Campo de la Diagnosis de la Enfermedad

Cáncer Que Detecta los Microchipes

Sensores de la Detección de la Mioglobina

Biosensor para la Enfermedad Cardíaca Coronaria

Sensores Basados Voladizos Para Detectar Polimorfismos del Único-Nucleótido

Biochips

Nanocantilevers: Un Descubrimiento Importante en Sensores

Conclusiones

Referencias

Detalles del Contacto

Extracto

Los Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) [1,2] han entrado en existencia solamente en la década pasada. Microcantilevers es los dispositivos basados MEMS simplificados. Las aplicaciones Diversas de microcantilevers en el campo de sensores han sido exploradas por muchos investigadores. Varios grupos también han mostrado la posibilidad de usar los microcantilevers para la diagnosis del cáncer de próstata [3], del infarto del miocardio [4] y de la supervisión de la glucosa [5]. Los Científicos están abriendo una ranura en la visión de hacer los biochips miniaturizados basados en un arsenal de los microcantilevers, que pueden detectar varias enfermedades rutinario simultáneamente diagnosticadas en el laboratorio clínico. El revelado de nanocantilevers ha reducido proporcionalmente Recientemente la tecnología más lejos con la capacidad de la detección ultra sensible de los analitos combinados con la alta producción.

Palabras Claves

Microcantilevers, sensores, diagnósticos, MEMS

Introducción

Los dispositivos diagnósticos Moleculares están consiguiendo más pequeños con el adelanto de las tecnologías de la miniaturización. Está aumentando interés en el campo de la investigación del biosensor sobre las plataformas miniaturizadas. La Miniaturización es esencial para la supervisión in vivo fisiológica, las matrices múltiples del sensor de la especificidad, la portabilidad del sensor y los volúmenes de muestra disminuidos. Los biosensores Convencionales necesitan el empaquetado extenso, la interconexión electrónica compleja y el mantenimiento regular. Estas desventajas se podrían reducir por el uso de los dispositivos de MEMS que integran electrónica y las estructuras micromecánicas en virutas.

Microcantilevers se ha empleado para detectar físico, químico y biológico. Tienen también tener aplicaciones amplias en el campo del remedio, específicamente para la investigación de enfermedades, la detección de las mutaciones de punta, la supervisión de la glucosa en sangre y la detección de los agentes de guerra química y biológica. Estos sensores tienen varias ventajas sobre las técnicas analíticas convencionales en términos de alta sensibilidad, bajo costo, procedimiento simple, requisito inferior del analito (en µl), procedimientos no-peligrosos y reacción rápida. Por Otra Parte, la tecnología se ha desarrollado en los años últimos para la fabricación y el uso de los nanocantilevers para detectar aplicaciones, de tal modo dando lugar a los sistemas de la caloría del nanoelectromechani (NEMS). Este revelado ha aumentado el límite de la sensibilidad hasta el fragmento que los investigadores pueden ahora visualizar contar de moléculas. Con la capacidad del alto análisis de la producción de analitos y de la detección ultra sensible, esta tecnología mantiene la enorme promesa para la generación siguiente de sensores miniaturizados y altamente sensibles.

Detección Sensible En Masa por Microcantilevers

Un microcantilever es un dispositivo que puede actuar como físico, el sensor químico o biológico detectando cambia en doblar del voladizo o frecuencia vibratoria. Es las contrapartes miniaturizadas de una tarjeta de salto que se mueva hacia arriba y hacia abajo en un intervalo regular. Este movimiento cambia cuando una masa específica del analito se adsorbe específicamente en su superficie similar al cambio cuando una persona camina sobre la tarjeta de salto. Pero los microcantilevers son millón de veces más pequeños que la tarjeta de salto que tiene dimensiones en micrones y diversas dimensiones de una variable tal y como se muestra en del cuadro 1.

Cuadro 1. Diversos tipos de los microcantilevers (visión superior) (a) (b) (c) Doble-Legged Rectangular Triangulares.

Moléculas adsorbidas en cambios del microcantilever de una frecuencia de la causa y la desviación vibratorios del microcantilever. La Viscosidad, la densidad, y el flujo pueden ser medidos detectando cambios en la frecuencia vibratoria.

Otra manera de detectar la adsorción molecular está midiendo la desviación del voladizo debido a la tensión de la adsorción en apenas una cara del voladizo. Dependiendo de la naturaleza de la vinculación química de la molécula, la desviación puede estar hacia arriba o hacia abajo. Los Biochips con los sistemas de detección mecánicos utilizan común haces del BI-material del microcantilever (e.g. Au-Si) como elementos que detectan. La cara del Au está recubierta generalmente con cierto receptor. Sobre el atascamiento del analito (e.g moléculas biológicas, tales como proteínas o agentes biológicos) con el receptor, la superficie del receptor está tensida o relevada. Esto hace el microcantilever desviar, generalmente en los nanómetros, que se pueden medir usando técnicas ópticas. La desviación es proporcional a la concentración del analito. El concepto se ha empleado en el blindaje de ciertas enfermedades tales como cáncer y detectar agentes de la substancia química específica y de guerra biológica.

Métodos de Detección de la Desviación de Microcantilever

El Método de Detección Piezorresistivo de la Desviación

El método piezorresistivo [6-8] implica embutir de un cercano material piezorresistivo la superficie superior del voladizo para registrar el cambio de la tensión que ocurre en la superficie del voladizo. Mientras Que el microcantilever desvía, experimenta un cambio de la tensión que aplique la deformación al piezoresistor, de tal modo causando un cambio en la resistencia que se puede medir por medios electrónicos. La ventaja del método piezorresistivo es que el sistema de lectura puede ser integrado en la viruta. La desventaja es que la resolución de la desviación para el sistema de lectura piezorresistivo es solamente un nanómetro comparado con un Angstrom por método de detección óptico. Otra desventaja con el método es que un piezoresistor tiene que ser embutido en el voladizo. La fabricación de tal voladizo con una estructura compuesta es más complicada.

El material del piezoresistor en el haz se debe localizar tan cerca a una superficie del voladizo como sea posible para la sensibilidad máxima. El tipo de dopar ser utilizado para la fabricación del material piezorresistivo es un factor importante. El coeficiente piezorresistivo de N-Tipo silicio es mayor que ése para el P-Tipo. La resistencia del cambios materiales piezorresistivos cuando la deformación se aplica a ella. El cambio relativo en resistencia como función de la deformación aplicada se puede escribir como:

donde K denota el Factor de Indicador, que es un parámetro material. Los subíndices l y t refieren a la parte longitudinal y transversal del Factor de Indicador.

La sensibilidad de un piezoresistor varía proporcional al espesor t y al radio de curvatura. El Factor de Indicador es proporcional al Módulo De Young, E, que es la característica intrínseca del material. El factor de indicador puede también ser calculado directamente esforzándose los voladizos y midiendo el cambio de la resistencia.

donde está el δ la deformación en el material y el R es la resistencia. Para un dispositivo sensible, el factor de indicador debe estar de la orden de 100.

El haz voladizo piezorresistivo se puede utilizar como arma del circuito de Puente de Wheatstone tal y como se muestra en del cuadro 2.

Cuadro 2. El Circuito de Puente de Wheatstone usado para el microcantilever piezorresistivo.

La resistencia de la arma de la resistencia variable () en la figura antedicha puede ser resuelta usando la fórmula común del compás de dividir de Voltaje y se muestra como abajo:

Habría un cambio de la resistencia siempre que el voladizo se sujete a una desviación.

El Método de Detección Óptico de la Desviación

El método óptico [8], tal y como se muestra en del cuadro 3, emplea un de rayo láser mismo de la energía baja de la orden que no afecta a las biomoléculas recubiertas en la superficie del microcantilever y de un detector sensible de la posición (PSD). Las caídas de rayo láser en el voladizo y consiguen reflejadas como la capa del oro recubierta en la superficie del voladizo le dan casi un espejo como acabado. El haz reflejado cae en el PSD. Cuando el voladizo undeflected es decir no está recubierto con ninguna molécula, el de rayo láser caería en una mancha determinada en el PSD. Mientras Que el voladizo desvía, la posición del haz cambia, que, a su vez, se calcula usando electrónica apropiada. La ventaja de este sistema de detección es que es capaz de detectar la desviación en el rango del sub-nanómetro. Pero este método también tiene sus propias desventajas. La presencia de un de rayo láser enfocada en un ambiente líquido de la célula puede dar lugar a las ediciones de administración térmicas adicionales que dan lugar a lecturas extrañas. En Segundo Lugar, el sistema de la alineación es costoso e implica la gran precisión, que puede aumentar final el costo del conjunto del diagnóstico del conjunto. Además, también reduce la portabilidad del conjunto.

Cuadro 3. Diagrama Esquemático de un sistema de detección óptico para detectar la desviación del microcantilever. La luz laser reflejada del microcantilever desviado cae en una diversa posición respecto al PSD. Dependiendo de la distancia entre las dos posiciones de rayo láser respecto al PSD, la desviación del microcantilever es resuelta.

El Método de Detección Capacitivo de la Desviación

El método capacitivo [9] se basa en el principio se cambia que cuando ocurre la desviación voladiza debido a la adsorción del analito, la capacitancia de un condensador plano. Aquí el microcantilever es una de las dos placas del condensador. Esta técnica de la desviación es altamente sensible y proporciona a la dislocación absoluta. Pero esta técnica no es conveniente para medir dislocaciones grandes. Por Otra Parte, no trabaja en las soluciones del electrólito debido a las corrientes farádicas entre las placas capacitivas. Por Lo Tanto, se limita en sus aplicaciones que detectan.

El Método de Detección de la Desviación de la Interferometría

Este método de detección óptico [10,11] se basa en la interferencia de una referencia de rayo láser con el de rayo láser reflejada por el voladizo. El extremo hendido de una fibra óptica se trae cerca de la superficie voladiza. Una porción de la luz se refleja en el interfaz entre la fibra y los media circundantes, y la otra parte se refleja en el voladizo nuevamente dentro de la fibra. Estos dos haces interfieren dentro de la fibra, y la señal de la interferencia se puede medir con un fotodiodo. La Interferometría es un método altamente sensible que proporciona a una medición directa y absoluta de la dislocación. En este método, la luz tiene que ser traída cerca de la superficie voladiza para conseguir suficiente luz reflejada. La Fibra óptica pocos micrones lejos del extremo libre del microcantilever podía medir la desviación en 0,01 rangos de Å. Sin Embargo, la colocación de las fibras es una tarea difícil. Los trabajos del método bien para las pequeñas dislocaciones pero son menos sensibles en líquidos y por lo tanto, del uso limitado en aplicaciones del biosensor.

El Método de Detección Óptico de la Desviación de la Red Difractora

La luz laser reflejada de los voladizos interdigitated forma un modelo de difracción en el cual la intensidad sea proporcional a la desviación voladiza [12]. Esto se puede utilizar para la microscopia atómica de la fuerza, la detección infrarroja, y detectar químico.

El Método de Detección del Dispositivo (CCD) Acoplado Carga

Una Cámara CCD para medir la desviación del voladizo en respuesta al analito fue utilizada por Kim y los compañeros de trabajo [13]. El detector sensible de la posición aquí es la Cámara CCD que registra el de rayo láser desviada del voladizo.

Propiedades Mecánicas de Voladizos

Los parámetros mecánicos básicos de un voladizo son el muelle constante y la frecuencia de la resonancia.

El muelle k constante es el factor de proporcionalidad entre la fuerza aplicada, F y doblar resultante del voladizo, Z. Esta relación se llama la ley de Hooke.

F = - KZ

El constante del muelle rinde la rigidez del voladizo. Para un voladizo rectangular de la longitud l, el constante del muelle se puede escribir como

donde está E el módulo y el I De Young es el momento de la inercia. Un muelle típico constante para un voladizo sensible de la tensión está en el rango de 1 mN/m a 1 N/m.

La frecuencia f de la resonanciares para un voladizo rectangular simple se puede expresar como

donde está la densidad el ρ en masa, h y w denota la altura y el ancho del voladizo respectivamente. El momento de la inercia para un voladizo rectangular se puede escribir como

Una expresión más simple para la frecuencia de la resonancia se puede escribir en función del constante del muelle como

donde fórmese, m=ρ.h.l.w. La relación muestra que la frecuencia de la resonancia aumenta en función de constante cada vez mayor del muelle y de disminuir Massachusetts voladizo.

El uso de microcantilevers se ha entendido por todo el mundo pero la biomecánica [14] y el mecanismo subyacente de la desviación del microcantilever no se establece todavía completo.

Comportamiento Que Dobla de Haces Voladizos

Una tensión superficial uniforme que actúa en un material isotrópico aumenta (en el caso del esfuerzo de compresión) o las disminuciones (en caso de la tensión de tensión) la superficie tal y como se muestra en del cuadro 4. Si esta tensión no se compensa en la cara opuesta de una placa o de un haz fina, la estructura entera doblará. Entre las áreas del esfuerzo de compresión y de la tensión de tensión, hay un avión neutral que no se deforma. Debido a doblar, una fuerza F está actuando en una distancia de x en los resultados planos neutrales en un momento de flexión M=F.x. Por Lo Tanto, el radio de la curvatura R se da cerca:

1/R = dz/dx22 = M/EI

donde está E el módulo y el I De Young evidentes es el momento de la inercia dado por la ecuación siguiente para los haces rectangulares

El cambio en la tensión superficial en una cara del haz causará doblar estático, y el momento de flexión se puede calcular como:

Δσ = σ1 - el σ2 es la tensión superficial diferenciada con el σ1 y el σ2 como tensión superficial en la cara superior y más inferior del voladizo respectivamente (el cuadro 5). Inserción de estos valores de I y de M en la fórmula del primer de la ecuación Stoney de los rendimientos [15]:

Cuadro 4. el Doblar de un haz voladizo en respuesta a tensiones compresivas y de tensión. (a) La tensión superficial Compresiva debido a la repulsión entre las biomoléculas lleva a hacia abajo/a la desviación negativa del haz voladizo. (b) La tensión superficial De Tensión debido a la atracción entre las moléculas lleva a hacia arriba/a la desviación positiva del haz voladizo.

El Cuadro 5. opinión del Lateral de un haz voladizo fino del espesor t sujetó al esfuerzo de compresión. el σ1 es la tensión en la superficie superior y el σ2 es la tensión en la superficie más inferior del voladizo. El haz voladizo dobla con un radio de la curvatura constante R.

Tener en cuenta las condiciones de límite de un voladizo (R” L), la ecuación antedicha puede ser resuelto y la dislocación de los voladizos se puede escribir como:

Los Cambios en la tensión superficial pueden ser el resultado del proceso de la adsorción o de acciones recíprocas electroestáticas entre las moléculas cargadas en la superficie así como los cambios en el hydrophobicity superficial y los cambios conformacionales de las moléculas adsorbidas.

Además de doblar tensión-inducido superficie, la extensión de volumen de voladizos bimaterial puede dar lugar a doblar estático. Un voladizo bimaterial experimenta doblar debido a la adsorción de gas si los coeficientes de la extensión de volumen de los dos materiales son diferentes.

Sensores de Microcantilever

Las aplicaciones de Biosensing exigen los rápidamente, fáciles de usar, barato y altamente sensibles métodos para detectar los analitos junto con la capacidad para la investigación de la alto-producción. Todas estas puntas se pueden satisfacer por los sensores voladizos micromachined, que son por lo tanto candidatos ideales a aplicaciones biosensing. Las diversas aplicaciones de sensores basados microcantilever se resumen en el Cuadro 6.

Cuadro 6. Aplicaciones de sensores microcantilever-basados.

Microcantilever basó los sensores [16] es los dispositivos más simples de MEMS que ofrecen un futuro muy prometedor para el revelado de los sensores nuevos de la comprobación, químicos y biológicos. Son de los sistemas de detección más recientes y la mayoría más avanzados del analito con el límite de detección lejos más inferior que las técnicas más avanzadas empleadas actualmente. La masa adsorbida de los analitos causa doblar nanomechanical del microcantilever. El cambio en masa en la superficie del microcantilever debido al atascamiento de las moléculas del analito es directamente proporcional a la desviación del microcantilever. Así, la detección cualitativa así como cuantitativa de analitos puede ser realizada.

Materiales Usados en Voladizos Comerciales

Los voladizos comerciales se hacen típicamente del silicio, del nitruro de silicio, o del óxido de silicio y están disponibles en una amplia variedad de diversas dimensiones de una variable, dimensiones, y sensibilidades de la fuerza. Los Recientes desarrollos combinan último las tecnologías de semiconductor del circuito integrado (IC) y del óxido de metal (CMOS) complementario para producir los voladizos extremadamente pequeños inteligentes bajo la forma de arsenal.

Los Voladizos Utilizan en Modos Sin contacto

Los Últimos años han atestiguado un segundo paso de progresión evolutivo en el uso de voladizos por el que se traigan no más en contacto con una superficie. Ahora se utilizan en los sistemas del sensor que proporcionan totalmente a un nuevo tipo de transductor miniaturizado basado en principios fundamentales de la física como el efecto bimetálico, la tensión superficial, o el oscilador armónico.

Ventajas de Sensores Microcantilever-Basados

Microcantilever basó los sensores tiene potencial enorme para la detección de diversos analitos en gaseoso, vacío y media del líquido. Han despertado considerable interés debido a su alta especificidad, alta sensibilidad, simplicidad, bajo costo, requisito inferior del analito (en µl), procedimiento no-peligroso con menos pasos de progresión, reacción rápida y requisito de energía baja. Las Substancias en los niveles de trazo son detectadas actualmente por diversas técnicas como la cromatografía líquida del alto rendimiento (HPLC), la cromatografía de capa delgada (TLC), la cromatografía de gas (GC), la cromatografía líquida de gas (GLC) Etc. Sin Embargo, estas técnicas son complejas, que toma tiempo, costosas y requieren la instrumentación abultada. También la preparación de la muestra es un procedimiento complejo prolongado y requiere personales expertos. Pero los sensores microcantilever-basados pueden detectar cantidades de trazo de substancias hacia adentro pieza-por-mil millones (ppb) y pieza-por-trillón (ppt). Traducen el reconocimiento biomolecular a doblar nanomechanical del microcantilever [17]. Las fuerzas Intermoleculares que se presentan de la adsorción de las moléculas del analito sobre el microcantilever inducen la tensión superficial, directamente dando por resultado doblar nanomechanical del microcantilever.

Detectar Aplicaciones de Microcantilevers en la Física y la Química

Los sensores voladizo-basados tienen aplicaciones extensas en la física y la química. Pueden ser utilizados para medir velocidades de la onda acústica, presiones del líquido y los flujos, y pueden ser sintonizados para tomar selectivamente vibraciones acústicas. Las Biotoxinas se podían detectar con sensibilidad en el nivel del ppt recubriendo una cara del voladizo con los anticuerpos monoclonales específicos para la biotoxina determinada. Los efectos de los pequeños cambios de la atmosférico-presión se pueden aserrar al hilo en la resonancia del voladizo vibrante. Los Efectos de la exposición a las radiaciones ultravioletas pueden ser detectados eligiendo la capa polimérica apropiada. Se ha observado que los voladizos del nitruro de silicio recubiertos con oro en una cara son muy sensibles a los cambios de pH. De Acuerdo con esto, los sensores basados voladizos se pueden hacer para detectar el cambio de pH. También se han utilizado para detectar el vapor de mercurio, la humedad, el gas natural, las mezclas de gases, el tolueno y el terminal de componente en agua.

Tipos de Sensores Basados en el Micrófono y Nanocantilevers

Sensores de la Humedad

La humedad en el ambiente puede ser medida si una cara de microcantilever está recubierta con la gelatina [18]. La Gelatina ata a los vapores de agua presentes en la atmósfera, de tal modo causando doblar del voladizo. Los Investigadores en el Laboratorio Nacional de la Oak Ridge (ORNL), los E.E.U.U. mostraron que los voladizos recubiertos con los materiales higroscópicos tales como ácido fosfórico se pueden utilizar como sensor para detectar el vapor de agua con la resolución de la masa del picogram [19]. Cuando los vapores de agua se adsorben en la superficie revestida del voladizo, hay cambio en la frecuencia de la resonancia de microcantilevers y de la desviación voladiza. La Sensibilidad de microcantilevers puede ser aumentada recubriendo su superficie con los materiales que tienen una alta afinidad para el analito.

Sensores del Herbicida

Microcantilevers ha sido utilizado para detectar la concentración de herbicidas en el ambiente líquido por Roberto Raiteri y compañeros de trabajo [20]. El ácido diclorofenoxiacético del herbicida 2,4 (2,4-D) estaba revestido en la superficie superior del voladizo. El anticuerpo monoclonal contra 2,4-D entonces fue proporcionado al voladizo. La acción recíproca específica entre el anticuerpo monoclonal y el herbicida causó doblar del voladizo. Mucha investigación está continuando desarrollar los immunobiosensors voladizos recubiertos anticuerpo para la detección de pesticidas organoclorados y organofosforosos y de herbicidas presentes en la concentración de ng/l en media acuosos. Alvarez y los Compañeros De Trabajo demostraron el uso de los microcantilevers para la detección del tricloroetano dipheny dicloro del pesticida (DDT) [21].

Sensores del Ión del Metal

Los sensores de Microcantilever se han empleado para detectar una concentración de CRO (coordinadora)-9 de 10 M42- en una célula de flujo [22]. En este dispositivo, una capa uno mismo-ensamblada del bromuro del amonio de triethyl-12-mercaptododecyl en la superficie oro-revestida del microcantilever fue utilizada. Microcantilevers se podía utilizar para la detección química de varios analitos gaseosos. Un dispositivo con varios elementos del arsenal del sensor que emplea microcantilevers se puede hacer para detectar los diversos iones simultáneamente.

Sensores de Temperatura/Sensores del Calor

Los Cambios en temperatura y calor doblan un voladizo integrado por materiales con diversos coeficientes de la extensión térmica por el efecto bimetálico. Microcantilever basó los sensores puede medir cambios en la temperatura tan pequeña como 10-5 K y se puede utilizar para la medición la termal de la foto. Pueden ser utilizados como microcalorímetros para estudiar la evolución del calor en reacciones químicas catalíticas y la entalpía cambia en las transiciones de fase. Los microcantilevers Bimetálicos pueden realizar la espectroscopia fototérmica [23] con una sensibilidad de 150 FJ y una resolución de tiempo del sub-milisegundo. Pueden detectar cambios del calor con sensibilidad del attojoule.

Sensores de la Viscosidad

Los Cambios en la viscoelasticidad mediana desvían la frecuencia voladiza de la resonancia. Un media altamente viscoso que rodea el voladizo así como una masa adicional amortiguará la oscilación voladiza que baja su frecuencia fundamental de la resonancia. Los Voladizos se pueden por lo tanto vibrar por los actuadores piezoeléctricos para resonar y utilizar como los contadores de la viscosidad [24].

Sensores de la Calorimetría

En estos sensores, solamente los cambios de temperatura deben ser medidos [25,26]. La mayor parte de las reacciones químicas se asocian a un cambio en calor. Así Pues, la calorimetría tiene enorme potencial de determinar una amplia gama de pastas. Las Enzimas como la oxidasis de glucosa se pueden inmovilizar y recubrir en la superficie del microcantilever, que reaccionará específicamente con glucosa en la solución produciendo una señal calorimétrica reconocible. Debido a la masa y a la sensibilidad térmicas minúsculas del voladizo, sensores de la calorimetría el empleo de los voladizos será generación siguiente de sensores para detectar cambios de temperatura.

Sensor Que Detecta Bordes Magnéticos

Baselt y los compañeros de trabajo [27] explicaron la posibilidad de usar microcantilevers como transductores de la fuerza para detectar la presencia de bordes magnéticos receptor-revestidos. Es posible detectar la presencia de borde magnético de la única talla del µm que adhiere sobre la superficie voladiza functionalized aplicando un campo magnético externo y midiendo la desviación del microcantilever. Un sensor extremadamente sensible puede ser hecho etiqueta el analito con los bordes magnéticos.

Sensores Basados Voladizos de la Telemetría

Los sensores basados Voladizos de la telemetría [28] desplegarán los dispositivos fieldable para retransmitir datos pertinentes a las estaciones centrales de la colección. Activarán el uso de las unidades movibles desgastadas o llevadas por los personales y reemplazarán los sensores alambrados en algunas aplicaciones. Los Investigadores en ORNL están construyendo una viruta microfabricated con el tramitación electrónico incorporado y la telemetría. También están trabajando en un método para detectar diversa especie.

Microsensors Para Vigilar Necesidades del Almacenamiento y del Mantenimiento del Misil

Los sensores basados microcantilever Miniaturizados con capacidad inalámbrica alejada de la supervisión se han empleado para ganar discernimiento en la condición de la reserva [29]. Esta tecnología evaluará el curso de la vida de la munición basado en parámetros ambientales como humedad, temperatura, presión, descarga eléctrica y corrosión así como número de otros indicadores de la degradación el propulsor incluyendo el NOx. Los Únicos detectores de viruta con electrónica y la telemetría se podían desarrollar con varios cientos de voladizos como arsenal vigilan, determinan y cuantifican simultáneamente muchos parámetros importantes. Los sensores de la Corrosión han limitado vida en moderado a los ambientes severos. Los Sistemas tienen que ser estructura para cerco los datos ambientales para un mejor conocimiento de condiciones ambientales. Hay una necesidad de desarrollar los materiales como las zeolitas [30] para el uso como capas de sensibilización para la detección específica. Las Zeolitas son térmicamente estructuras estables del marco del aluminosilicate usadas comercialmente como las cribas moleculares, los catalizadores, los intercambiadores de iones y amortiguadores químicos. Muestran selectividad excelente y propiedades térmicas selectivas de la desorción.

Sensores Alejados de la Detección de la Radiación Infrarroja

Un sensor alejado (IR) de la detección de la radiación infrarroja ha sido desarrollado por Oden y los compañeros de trabajo [31]. El sensor se compone de un voladizo piezorresistivo recubierto con una capa absorbente del calor. Los microcantilevers Piezorresistivos representan un revelado importante en tecnología sin enfriar de la detección del IR. El voladizo experimenta doblar debido a la tensión diferenciada entre la capa y el substrato. Las causas que doblan del voladizo un cambio en el piezoresistance, que es proporcional a la cantidad del calor absorbente. Las variaciones de la Temperatura pueden ser detectadas recubriendo el voladizo con un diverso material, que causa el efecto bimetálico dando por resultado doblar del voladizo. Así, la detección calorimétrica de reacciones químicas puede ser hecha. Oro-Negro serviría como el material absorbente del IR. Las Altas capas bimaterial de la extensión térmica tales como Al, Pb y Zn se podían utilizar para aumentar doblar térmicamente inducido del microcantilever. Las matrices voladizas Bidimensionales se pueden utilizar para la proyección de imagen del IR pues son simples, respuesta altamente sensible y rápida.

Dispositivos de Detección de los Explosivos

Se cree que los perros tienen potencia que huele que sorprende, la razón que se emplean extensamente en la detección de explosivos. Los Perros pueden detectar los explosivos oliendo las substancias químicas orgánicas fácilmente tan bajo vaporizadas presentes en la concentración como pieza-por-mil millones. Muchos grupos están conducto la investigación activa con la intención de hacer dispositivo de una nariz-en-uno-viruta del `' que tiene la potencia que huele exactamente similar a la nariz de perro. En dispositivo de esta nariz-en-uno-viruta del ` el' [32,33], un arsenal del microcantilever podría ser utilizado en el cual cada uno voladizo estará recubierto diferentemente para tomar una pasta orgánica específica. Puede ser incorporado en nuestro item del uso diario como las zapatas, el bastón que recorre, el monedero Etc. para detectar los explosivos sin permitir a los culpables saber sobre la operación de búsqueda. El dispositivo sería un gran logro desde el punto de vista de la fianza y prevendría accidentes grandes.

Un microcantilever recubierto con platino o un metal de transición puede reaccionar con el trinitrotolueno (TNT) si se calienta a 570°C y está sujetado en esa temperatura para 0,1 segundo. La reacción de TNT con la capa voladiza causará una mini-explosión. Thundat y su grupo [34] están desarrollando un dispositivo de la caja de cerillas-talla para detectar los explosivos en equipaje del aeropuerto y las minas terrestres basadas en esta técnica.

Detectar Aplicaciones de Microcantilevers en el Campo de la Diagnosis de la Enfermedad

Cáncer Que Detecta los Microchipes

Arun Majumdar y compañeros de trabajo [3] ha demostrado el análisis sensible basado microcantilever para la diagnosis del cáncer. Recubrieron la superficie del microcantilever con los anticuerpos específicos al antígeno específico de la próstata (PSA), una etiqueta de plástico del cáncer de próstata encontrada en la sangre de los pacientes que tenían cáncer de próstata. Cuando el microcantilever PSA-revestido obró recíprocamente con la muestra de sangre del paciente teniendo cáncer de próstata, el complejo del antígeno-anticuerpo fue formado y el doblado voladizo debido a la masa adsorbida de las moléculas del antígeno. El doblar del nanómetro del voladizo fue detectado ópticamente por una energía baja de rayo láser con la precisión del sub-nanómetro usando un detector de foto. Este análisis basado microcantilever era más sensible que las técnicas bioquímicas convencionales para la detección del PSA como puede detectar niveles del antígeno más bajo que el valor de umbral clínico relevante. La técnica es tan buena como y potencialmente mejor que ELISA. Por Otra Parte, el costo por análisis es menos pues no hay necesidad de asociar etiquetas o el radiolabel fluorescentes las moléculas. La detección del PSA basada en la rotación de frecuencia resonante del microcantilever nanomechanical piezoeléctrico había sido demostrada también por Lee y los compañeros de trabajo [35].

Sensores de la Detección de la Mioglobina

Raiteri y sus microcantilevers empleados del grupo [4] con el anticuerpo monoclonal de la anti-mioglobina recubierto en la superficie superior por cruz-máquina para hacer chorizos del hexanoato del sulfosuccinimidyl 6 [3 (2-pyridyldithio) - propionamido] (sulfo-LC-SPDP). Cuando el suero humano fue proporcionado, mioglobina limitada a la anti-mioglobina, de tal modo causando una desviación del microcantilever. 85 ng/ml de la mioglobina fueron detectados fácilmente, que es la concentración fisiológica en el suero humano sano.

Biosensores de la Glucosa

Pei y los compañeros de trabajo [36] señalaron una técnica para la detección micromecánica de las concentraciones biológico relevantes de la glucosa por la inmovilización de la oxidasis de glucosa sobre la superficie del microcantilever. El microcantilever de la enzima-functionalized experimenta doblar debido a un cambio en la tensión superficial inducida por la reacción de la oxidasis de glucosa inmovilizada en la superficie voladiza con glucosa en la solución. Los Experimentos fueron llevados bajo condiciones de flujo y fue demostrado que las interferencias comunes para la detección de la glucosa no tenían ningún efecto sobre la medición de la glucosa en sangre.

Biosensores para la Enfermedad Cardíaca Coronaria

Una aplicación bioquímica clínica del sensor fue presentada [37], donde la adsorción de las lipoproteínas de baja densidad (LDL) y su formulario oxidado (oxLDL) en la heparina fueron distinguidos midiendo la tensión superficial que empleaba microcantilevers biosensing. La capacidad de distinguir estas dos especies está de interés porque su absorción del plasma favoreció principalmente el formulario oxidado, que se cree ser responsable de la acumulación de colesterol en la aorta a tiempo y se asocia a la primera fase de enfermedad cardíaca coronaria. El método también fue utilizado para detectar cambios conformacionales en dos proteínas del plasma, Inmunoglobulinas G (IgG) y Albúminas (BSA), inducidas por su adsorción en una superficie sólida en un ambiente del almacenador intermediaro. Este fenómeno es de importancia crucial en las aplicaciones biomédicas que implican superficies sólidas, pero ha sido difícil de medir con técnicas convencionales de la adsorción.

Sensores Basados Voladizos Para Detectar Polimorfismos del Único-Nucleótido

Los Únicos polimorfismos del nucleótido (SNPs) dentro de las series sabidas del gen y del genoma son la mayor preocupación de la investigación de la genómica. Las mutaciones de Punta causan varias enfermedades tales como Talasemia, Tay Sachs, Enfermedad de Alzheimer Etc. Por Lo Tanto, los esfuerzos de detectar el único polimorfismo del nucleótido ayudarán en el diagnóstico precoz de estas enfermedades y ayudarán en el tratamiento de los pacientes que tienen tales desordenes. Una manera efectiva y segura de detectar tales únicas discordancías bajas de los pares está usando los microcantilevers que son extremadamente sensibles a las acciones recíprocas biomoleculares específicas del reconocimiento entre la serie de la DNA de la antena y la serie de la DNA de la meta. Pueden detectar la concentración en el pico- al rango del femtogram. Las antenas Thiolated de la DNA específicas para la serie determinada de la DNA de la meta se inmovilizan en el microcantilever oro-revestido. El Hibridación con la serie completo elogiosa de la DNA de la meta causará la desviación positiva neta del voladizo. La desviación positiva Neta es un resultado de la reducción en la entropía basada en la configuración del dsDNA comparado con el ssDNA, que causa la reducción de fuerzas de compresión en la cara del oro del voladizo. El Hibridación de la DNA de la antena con la DNA de la meta que tiene uno o dos base-pares desequilibra resultados en una desviación negativa neta del voladizo debido a las fuerzas repulsivas crecientes ejercidas en la superficie oro-revestida del microcantilever. La desviación es mayor para la DNA de la meta que tiene dos discordancías bajas de los pares que para la DNA de la meta que tiene una discordancía baja de los pares. El grado de repulsión aumenta mientras que el número de discordancías bajas de los pares aumenta [38]. McKendry [39] demostró el biodetection escritura de la etiqueta-libre del múltiplo y análisis DNA-obligatorios cuantitativos en un arsenal voladizo nanomechanical.

Estos análisis basados DNA de la desviación del microcantilever serían un favor al campo del pharmacogenomics, que desarrollará las drogas hechas específicamente para apuntar el SNPs. Estos análisis tienen un tiempo de reacción rápida de menos de 30 minutos y son mucho más baratos que las otras técnicas usadas actualmente para detectar el SNPs. Es un procedimiento simple y el rendimiento es decir la desviación voladiza es un simple +/- señal. Las técnicas Actuales de la detección del hibridación como borrar Meridional requieren condiciones altamente rigurosas de la reacción mientras que la técnica microcantilever-basada requiere solamente un almacenador intermediaro y una temperatura ambiente fisiológicos (25°C). Dan los Detalles sobre la transformación del reconocimiento biomolecular en nanomechanics hacia adentro [40]. El hibridación Meridional es procedimiento muy aburrido, costoso, peligroso y que toma tiempo. Por otra parte, los microcantilevers mantienen una gran promesa para el diagnóstico médico porque no sólo la presencia pero la ubicación de las discordancías puede ser encontrada.

Biochips

Los avances Recientes en los biochips [41,42] han mostrado que los sensores basados en doblar de voladizos microfabricated tienen ventajas potenciales sobre métodos de detección previamente usados. Los Biochips con los sistemas de detección mecánicos utilizan haces bimaterial del microcantilever (e.g. Au-Si) como elementos que detectan. La cara del Au está recubierta generalmente con cierto receptor. Sobre el atascamiento del analito (e.g moléculas biológicas, tales como proteínas o agentes biológicos) con el receptor, la superficie del receptor está tensida o relevada. Esto hace el microcantilever desviar y la desviación fue encontrada para ser proporcional a la concentración del analito. Los Ejemplos de atascamientos en (receptor/analito) aplicaciones biomoleculares son: atascamientos del anticuerpo-antígeno o hibridación de la DNA de un par de hilos de la DNA (receptor/analito) que tienen series complementarias [42]. Los Biochips que tienen microcantilevers como elementos que detectan no requieren alimentación externa, etiqueta, electrónica externa o las moléculas fluorescentes o transducción de la señal para su operación. Estos tipos de biochips pueden ser utilizados en el blindaje de ciertas enfermedades tales como cáncer y detectar agentes de la substancia química específica y de guerra biológica tales como toxina, ántrax, y aflatoxina botulinum. Un sensor químico basado en un arsenal voladizo micromecánico ha sido demostrado por Battison y los compañeros de trabajo [37].

Nanocantilevers: Un Descubrimiento Importante en Sensores

Al grupo de investigadores ha utilizado a Nanocantilevers, 90 nanómetro densamente y hecho del nitruro de silicio, llevados por Harold Craighead, Universidad Cornell a detectar una pieza única de los pares bajos de la DNA 1578 de largo [43]. El grupo demandó que él puede determinar exactamente una molécula con la masa de cerca de 0,23 attograms (1 attogram = 10-18 gramos) que emplea estos nanocantilevers. Los investigadores colocaron puntos del oro del nanoscale en los mismos extremos de los voladizos, que actuaban como agentes de la captura para la DNA doble-trenzada sulfuro-modificada. Pero en principio, los nanodots del oro se podían utilizar para capturar cualquier biomolécula que tenía un grupo libre del sulfuro. Los rayos laser de la Exploración fueron utilizados para medir la frecuencia vibratoria de los voladizos. Los investigadores creen que los nanodevices basados en nanocantilevers eliminarían la necesidad de la amplificación de la POLIMERIZACIÓN EN CADENA para la detección de las series definidas de la DNA, de tal modo simplificando los métodos usados para revisar para las series y las mutaciones específicas del gen.

Semejantemente, N. Nelson-Fitzpatrick . [44] en la Universidad de Alberta, Canadá ha hecho nanocantilevers resonantes ultra finos, de la orden de 10 nanómetro, en compuestos del aluminio-molibdeno. El grupo demanda que el revelado de dispositivos NEMS-basados en materiales metálicos activaría nuevas áreas de las aplicaciones para detectar directo de las diversas pastas químicas que evitan así la necesidad de la derivatización superficial intermedia.

Los Investigadores en la Universidad de Purdue están implicados en la creación de nanocantilevers. Emplearon un arsenal de nanocantilevers de la longitud diversa con el espesor de cerca de 30 nanómetro y functionalized los con los anticuerpos para los virus [45]. Subieron con resultados muy interesantes referente a la variación en la densidad w.r.t del anticuerpo la longitud de nanocantilevers.

Conclusiones

Microcantilevers tiene aplicaciones potenciales en cada campo de la ciencia que coloca de físico y de la substancia química que detecta a la diagnosis biológica de la enfermedad. Las ventajas mayores de emplear microcantilevers como detectar mecanismos sobre los sensores convencionales incluyen su alta sensibilidad, bajo costo, requisito inferior del analito (en µl), procedimiento no-peligroso con menos pasos de progresión (que evitan la necesidad de escrituras de la etiqueta), reacción y requisito de energía baja rápidos. El más importante es el hecho de que un arsenal de microcantilevers se puede emplear para la diagnosis de un gran número de analitos tales como diversos biomarkers de la enfermedad de una única enfermedad en un único va así a tener enormes altas capacidades del análisis de la producción. La tecnología lleva a cabo el clave a la generación siguiente de sensores altamente sensibles. Con el revelado de la tecnología para los nanocantilevers, los sensores han logrado la sensibilidad del attogram, que hasta hace poco tiempo ha sido solamente un sueño para los investigadores. Aumentos posteriores En sensibilidad no prohibirán a investigadores la capacidad de contar los números de moléculas.

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Detalles del Contacto

El Dr. Sandeep Kumar Vashist

Centro Nacional para la Investigación del Sensor
Universidad de Ciudad de Dublín
Glasnevin, Dublin9
Dublín, Irlanda

Email: sandeep.vashist@dcu.ie

Date Added: Jun 18, 2007 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:35

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