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DOI : 10.2240/azojono0115

Un Examen de Microcantilevers pour Sentir des Applications

Sandeep Kumar Vashist

Droit d'auteur AZoM.com Pty Ltd.

C'est un article Azoïque de Système de Récompenses d'Accès Ouvert (Azo-AVIRONS) distribué en vertu des Azo-AVIRONS http://www.azonano.com/oars.asp que l'utilisation libre de laisux a fourni l'oeuvre originale est correctement citée mais est limitée à la distribution et à la reproduction non commerciales.

Soumis : Le 22 mai 2007nd

Posté : Le 18 juin 2007th

Sujets Couverts

Résumé

Mots clé

Introduction

Dépistage Sensible De Masse par Microcantilevers

Méthodes de Dépistage de Fléchissement de Microcantilever

La Méthode de Dépistage Piézorésistive de Fléchissement

La Méthode de Dépistage Optique de Fléchissement

La Méthode de Dépistage Capacitive de Fléchissement

La Méthode de Dépistage de Fléchissement d'Interférométrie

La Méthode de Dépistage Optique de Fléchissement de Réseau de Diffraction

La Méthode de Dépistage (CCD) de Dispositif à Couplage de Charge

Propriétés Mécaniques d'Encorbellement

Comportement de Courbure des Poutres En Porte-à-faux

Senseurs de Microcantilever

Matières Employées dans des Encorbellements Commerciaux

Les Encorbellements Utilisent dans des Modes De non contact

Avantages des Senseurs Microcantilever-Basés

Types de Senseurs Basés sur le Micro et le Nanocantilevers

Sentir des Applications de Microcantilevers dans la Physique et la Chimie

Senseurs d'Humidité

Senseurs d'Herbicide

Senseurs d'Ion En Métal

Senseurs de Température/Senseurs de la Chaleur

Senseurs de Viscosité

Senseurs de Calorimetrie

Senseur Trouvant les Petits Programmes Magnétiques

Senseurs Basés En Porte-à-faux de la Télémesure

Microsensors Pour Surveiller les Besoins de Mémoire et de Maintenance de Missile

Senseurs Distants de Dépistage de Rayonnement Infrarouge

Dispositifs de Dépistage d'Explosifs

Sentir des Applications de Microcantilevers dans le Domaine du Diagnostic de la Maladie

Cancer Trouvant des Microprocesseurs

Senseurs de Dépistage de Myoglobine

Biocapteur pour la Maladie Coronarienne

Senseurs Basés En Porte-à-faux Pour Trouver des Polymorphismes d'Unique-Nucléotide

Biopuces

Nanocantilevers : Une Découverte Importante dans des Senseurs

Conclusions

Références

Détails des Contacts

Résumé

Les Systèmes Microelectromechanical (MEMS) [1,2] ont vu le jour seulement pendant la dernière décennie. Microcantilevers sont les dispositifs basés de MEMS les plus simplifiés. De Diverses applications des microcantilevers dans le domaine des senseurs ont été explorées par beaucoup de chercheurs. Plusieurs groupes ont également affiché la possibilité d'utiliser des microcantilevers pour le diagnostic du cancer de la prostate [3], de l'infarctus du myocarde [4] et de la surveillance de glucose [5]. Les Scientifiques chassent la visibilité de rendre les biopuces miniaturisées basées sur un alignement de microcantilevers, qui peuvent trouver plusieurs maladies simultanément par habitude diagnostiquées dans le laboratoire clinique. Récent le développement des nanocantilevers ont réduit la technologie davantage avec la capacité du dépistage ultra sensible des analytes combinées avec le débit élevé.

Mots clé

Microcantilevers, senseurs, diagnostics, MEMS

Introduction

Les dispositifs diagnostiques Moléculaires deviennent plus petits avec l'avancement des technologies de miniaturisation. Là augmente l'intérêt pour la zone de la recherche de biocapteur sur les plates-formes miniaturisées. La Miniaturisation est essentielle pour la surveillance in vivo physiologique, les alignements multiples de senseur de spécificité, la portabilité de senseur et les volumes réduits à un minimum témoin. Les biocapteurs Conventionnels ont besoin de vaste emballage, d'interfaçage électronique complexe et de maintenance régulière. Ces inconvénients pourraient être réduits en employant les dispositifs de MEMS qui intègrent l'électronique et les structures micromécaniques sur des puces.

Microcantilevers ont été utilisés pour se sentir matériel, chimique et biologique. Ils ont également pour avoir des applications larges dans le domaine de la médecine, particulièrement pour l'examen critique des maladies, le dépistage des mutations ponctuelles, la surveillance de glucose sanguin et le dépistage des agents de guerre biologique chimique et. Ces senseurs ont plusieurs avantages par rapport aux techniques analytiques conventionnelles en termes de sensibilité élevée, coût bas, méthode simple, condition faible d'analyte (dans le µl), procédures non-dangereuses et réaction rapide. D'ailleurs, la technologie a été développée pendant les dernières années pour la fabrication et l'usage des nanocantilevers pour sentir des applications, provoquant de ce fait les systèmes d'Eao de nanoelectromechani (NEMS). Ce développement a augmenté la limite de sensibilité jusqu'à l'ampleur que les chercheurs peuvent maintenant concevoir le compte des molécules. Avec la capacité de l'analyse élevée de débit des analytes et du dépistage ultra sensible, cette technologie retient la promesse énorme pour le prochain rétablissement des senseurs miniaturisés et extrêmement sensibles.

Dépistage Sensible De Masse par Microcantilevers

Un microcantilever est un dispositif qui peut agir en tant que matériel, le senseur chimique ou biologique en trouvant change dans la courbure d'encorbellement ou la fréquence vibratoire. C'est les homologues miniaturisées d'un carton de plongée qui déménage en haut et en bas à un intervalle régulier. Ce mouvement change quand une masse particulière d'analyte est particulièrement adsorbée sur sa surface assimilée à la modification quand une personne fait un pas sur le carton de plongée. Mais les microcantilevers sont million de fois plus petits que le carton de plongée ayant des cotes dans les microns et les différentes formes suivant les indications du schéma 1.

Le Schéma 1. types Différents des microcantilevers (première vue) (a) (b) (c) Double-À jambes Rectangulaire Triangulaires.

Molécules adsorbées sur les modifications d'une fréquence de cause de microcantilever et le fléchissement vibratoires du microcantilever. La Viscosité, la densité, et le débit peuvent être mesurés en trouvant des changements de la fréquence vibratoire.

Une Autre voie de trouver l'adsorption moléculaire est en mesurant le fléchissement de l'encorbellement dû au stress d'adsorption de juste un côté de l'encorbellement. Selon la nature de la métallisation chimique de la molécule, le fléchissement peut être en haut ou en bas. Les Biopuces avec les systèmes de dépistage mécaniques utilisent généralement des poutres du Bi-matériau de microcantilever (par exemple Au-SI) en tant que sentir des éléments. Le côté d'Au est habituellement enduit d'un certain récepteur. Sur la liaison de l'analyte (par exemple molécules biologiques, telles que des protéines ou des agents biologiques) avec le récepteur, la surface de récepteur est tendue ou détendue. Ceci fait guider le microcantilever, habituellement dans les nanomètres, qui peuvent être mesurés utilisant des techniques optiques. Le fléchissement est proportionnel à la concentration en analyte. Le concept a été utilisé en examinant certaines maladies telles que le cancer et en trouvant des agents de produit chimique particulier et de guerre biologique.

Méthodes de Dépistage de Fléchissement de Microcantilever

La Méthode de Dépistage Piézorésistive de Fléchissement

La méthode piézorésistive [6-8] comporte encastrer d'un proche matériel piézorésistif la première surface de l'encorbellement pour enregistrer la modification de stress se produisant sur la surface de l'encorbellement. Pendant Que le microcantilever guide, il subit une modification de stress qui s'appliquera la tension au piezoresistor, entraînant de ce fait un changement de la résistance qui peut être mesurée par des moyens électroniques. L'avantage de la méthode piézorésistive est que le système de lecture peut être intégré sur la puce. L'inconvénient est que la définition de fléchissement pour le système de lecture piézorésistif est seulement un nanomètre avec un Angström par méthode de dépistage optique. Un Autre inconvénient avec la méthode est qu'un piezoresistor doit être encastré dans l'encorbellement. La fabrication d'un tel encorbellement avec une structure composée est plus compliquée.

Le matériau de piezoresistor dans la poutre doit être localisé aussi étroitement sur une surface de l'encorbellement comme possible à la sensibilité maximum. Le type de doper l'utilisation pour la fabrication du matériau piézorésistif est un facteur important. Le coefficient piézorésistif de silicium De type n est plus grand que celui pour De type p. La résistance de l'changements substantiels piézorésistifs quand la tension est appliquée à elle. Le changement relatif de la résistance comme fonctionnement de tension appliquée peut être écrit comme :

là où K indique le Facteur de Jauge, qui est un paramètre matériel. Les indices inférieurs l et t se rapportent à la partie longitudinale et transversale du Facteur de Jauge.

La sensibilité d'un piezoresistor varie proportionnellement à l'épaisseur t et au radius de lordose. Le Facteur de Jauge est proportionnel au Module De Young, E, qui est la caractéristique intrinsèque du matériau. Le facteur de jauge peut également être prévu directement en tendant les encorbellements et en mesurant la modification de résistance.

là où le δ est la tension dans le matériau et le R est la résistance. Pour un dispositif sensible, le facteur de jauge devrait être de la commande de 100.

La poutre en porte-à-faux piézorésistive peut être utilisée comme bras du montage en pont De Wheatstone suivant les indications du schéma 2.

Le Schéma 2. Le Montage En Pont De Wheatstone utilisé pour le microcantilever piézorésistif.

La résistance du bras de résistance variable () dans le chiffre ci-dessus peut être déterminée à l'aide de la formule commune de diviseur de Tension et est affichée en tant que ci-dessous :

Il y aurait une modification de résistance chaque fois que l'encorbellement est soumis à un fléchissement.

La Méthode de Dépistage Optique de Fléchissement

La méthode optique [8], suivant les indications du schéma 3, utilise un faisceau laser très de la faible puissance de la commande qui n'affecte pas les biomolécules vêtus sur la surface du microcantilever et d'un détecteur sensible de position (PSD). Le faisceau laser tombe sur l'encorbellement et obtient réfléchi comme couche d'or vêtue sur la surface de l'encorbellement lui donne presque un miroir comme le fini. Les chutes réfléchies de poutre sur le PSD. Quand l'encorbellement undeflected c.-à-d. il n'est enduit d'aucune molécule, le faisceau laser tomberait sur un endroit particulier sur le PSD. Pendant Que l'encorbellement guide, la position de la poutre change, qui, consécutivement, est prévue utilisant l'électronique appropriée. L'avantage de ce système de dépistage est qu'il est capable de trouver le fléchissement dans le domaine de sous-nanomètre. Mais cette méthode a également ses propres inconvénients. La présence d'un faisceau laser orienté dans un environnement liquide de cellules peut avoir comme conséquence les délivrances de management thermiques supplémentaires provoquant les relevés étrangers. Deuxièmement, le système de cadrage est cher et concerne la précision grande, qui peut éventuel augmenter le coût de la trousse de diagnostic de totalité. De plus, il réduit également la portabilité de la trousse.

Le Schéma 3. Schéma d'un système de dépistage optique pour trouver le fléchissement de microcantilever. La lumière laser réfléchie du microcantilever guidé tombe à une position différente sur le PSD. Selon la distance entre les deux positions du faisceau laser sur le PSD, le fléchissement du microcantilever est déterminé.

La Méthode de Dépistage Capacitive de Fléchissement

La méthode capacitive [9] est basée selon le principe qui quand le fléchissement en porte-à-faux a lieu en raison de l'adsorption de l'analyte, la capacité d'un condensateur plat est changé. Ici le microcantilever est l'une des deux plaques de condensateur. Cette technique de fléchissement est extrêmement sensible et fournit le déplacement absolu. Mais cette technique n'est pas adaptée pour mesurer de grands déplacements. D'ailleurs, cela ne fonctionne pas dans des solutions d'électrolyte dues aux courants faradiques entre les plaques capacitives. Par Conséquent, il est limité dans ses applications se sentantes.

La Méthode de Dépistage de Fléchissement d'Interférométrie

Cette méthode de dépistage optique [10,11] est basée sur l'interférence d'un faisceau laser de référence avec le faisceau laser réfléchi par l'encorbellement. L'extrémité fendue d'une fibre optique est portée près de la surface en porte-à-faux. Une part de la lumière est réfléchie à la surface adjacente entre la fibre et les medias environnants, et l'autre partie est réfléchie à l'encorbellement de nouveau dans la fibre. Ces deux poutres gênent à l'intérieur de la fibre, et le signe d'interférence peut être mesuré avec une photodiode. L'Interférométrie est hautement une technique sensible fournissant une mesure directe et absolue de déplacement. Dans cette méthode, la lumière doit être portée près de la surface en porte-à-faux pour obtenir assez de lumière réfléchie. La Fibre optique peu de microns à partir de l'extrémité libre du microcantilever a pu mesurer le fléchissement dans 0,01 chaînes de Å. Cependant, positionner des fibres est une tâche difficile. Les travaux de méthode bien pour de petits déplacements mais est moins sensible dans les liquides et par conséquent, d'une utilité limitée dans des applications de biocapteur.

La Méthode de Dépistage Optique de Fléchissement de Réseau de Diffraction

La lumière laser réfléchie des encorbellements interdigitated forme un diagramme diffraction dans lequel l'intensité est proportionnelle au fléchissement en porte-à-faux [12]. Ceci peut être utilisé pour la microscopie atomique de force, le dépistage infrarouge, et se sentir chimique.

La Méthode de Dépistage (CCD) de Dispositif à Couplage de Charge

Une Caméra ccd pour mesurer le fléchissement de l'encorbellement en réponse à l'analyte a été employée par Kim et les collègues [13]. Le détecteur sensible de position ici est la Caméra ccd qui enregistre le faisceau laser guidé de l'encorbellement.

Propriétés Mécaniques des Encorbellements

Les paramètres mécaniques de base d'un encorbellement sont la constante de source et la fréquence de résonance.

La constante k de source est le facteur de proportionnalité entre la force appliquée, le F et la courbure donnante droit de l'encorbellement, Z. Ce rapport est la loi appelée de Hooke.

F = - le KZ

La constante de source fournit la raideur de l'encorbellement. Pour un encorbellement rectangulaire de la longueur l, la constante de source peut être écrite As

là où E est le module et l'I De Young est le moment de l'inertie. Une constante typique de source pour un encorbellement sensible de stress est de l'ordre de 1 mN/m à 1 N/m.

La fréquence f de résonanceres pour un encorbellement rectangulaire simple peut être exprimée As

là où le ρ est la densité de masse, h et W indique la hauteur et la largeur de l'encorbellement respectivement. Le moment de l'inertie pour un encorbellement rectangulaire peut être écrit As

Une expression plus simple pour la fréquence de résonance peut être écrite en fonction de la constante de source As

là où amassez, m=ρ.h.l.w. Le rapport prouve que la fréquence de résonance augmente en fonction de la constante croissante de source et de Massachusetts décroissant d'encorbellement.

L'utilisation des microcantilevers a été mondiale compris mais la biomécanique [14] et le mécanisme fondamental du fléchissement de microcantilever n'est pas encore entièrement déterminée.

Comportement de Courbure des Poutres En Porte-à-faux

Un stress extérieur uniforme agissant sur un matériau isotrope augmente (dans le cas de l'effort de compression) ou des diminutions (en cas de contrainte de traction) la surface suivant les indications du schéma 4. Si ce stress n'est pas compensé au bord opposé d'une plaque ou d'une poutre mince, la structure entière courbera. Entre les zones de l'effort de compression et de la contrainte de traction, il y a un plan neutre qui n'est pas déformé. En Raison de la courbure, une force F agit à une distance de x dans les résultats plats neutres dans un moment de flexion M=F.x. Par Conséquent, le radius de lordose R est donné par :

1/R = dz/dx22 = M/EI

là où E est le module et l'I De Young apparents est le moment de l'inertie donné par l'équation suivante pour les poutres rectangulaires

Le changement du stress extérieur à un côté de la poutre entraînera la courbure statique, et le moment de flexion peut être prévu comme :

Δσ = σ1 - le σ2 est le stress extérieur différentiel avec le σ1 et le σ2 en tant que stress extérieur au supérieur et côté inférieur de l'encorbellement respectivement (le schéma 5). Insertion de ces valeurs d'I et de M dans du premier la formule Stoney de rendements d'équation [15] :

Le Schéma 4. Courbure d'une poutre en porte-à-faux en réponse aux contraintes de traction compressives et. (a) Le stress extérieur Compressif dû à la répulsion entre les biomolécules mène à vers le bas/à fléchissement négatif de la poutre en porte-à-faux. (b) Le stress extérieur De Tension dû à l'attraction entre les molécules mène à vers le haut/à fléchissement positif de la poutre en porte-à-faux.

Le Schéma 5. vue de Partie Latérale d'une poutre en porte-à-faux mince de l'épaisseur t a soumis à l'effort de compression. le σ1 est le stress sur l'extrados et le σ2 est le stress sur l'intrados de l'encorbellement. La poutre en porte-à-faux courbe avec un radius de lordose constant R.

Compte tenu des conditions de borne d'un encorbellement (R » L), l'équation ci-dessus peut être résolu et le déplacement des encorbellements peut être écrit comme :

Les Changements du stress extérieur peuvent être le résultat du procédé ou des interactions électrostatiques d'adsorption entre les molécules chargées sur la surface ainsi que les changements du hydrophobicity extérieur et les modifications conformationnelles des molécules adsorbées.

En plus de la courbure provoquée par la tension extérieure, l'extension de volume des encorbellements bimaterial peut avoir comme conséquence une courbure statique. Un encorbellement bimaterial subit la courbure due à l'adsorption de gaz si les coefficients d'extension de volume des deux matériaux sont différents.

Senseurs de Microcantilever

Les applications de Biosensing exigent rapidement, facile à utiliser, bon marché et hautement des techniques sensibles pour trouver des analytes avec la capacité pour l'examen critique de haut-débit. Toutes ces remarques peuvent être accomplies par les senseurs en porte-à-faux micromachined, qui sont pour cette raison les candidats idéaux pour des applications biosensing. Les applications variées des senseurs basés de microcantilever sont récapitulées sur le Schéma 6.

Le Schéma 6. Applications des senseurs microcantilever-basés.

Les senseurs basés de Microcantilever [16] sont les dispositifs de MEMS les plus simples qui offrent un contrat à terme très prometteur pour le développement des senseurs d'examen médical, chimiques et biologiques nouveaux. Ils sont les systèmes de dépistage les plus récents et la plupart des les plus avancés d'analyte avec la limite de détection bien inférieure aux techniques les plus avancées actuel utilisées. La masse adsorbée des analytes entraîne la courbure nanomechanical du microcantilever. Le changement de la masse sur la surface de microcantilever due au grippement des molécules d'analyte est directement proportionnel au fléchissement du microcantilever. Ainsi, le dépistage qualitatif ainsi que quantitatif des analytes peut être exécuté.

Matières Employées dans des Encorbellements Commerciaux

Les encorbellements commerciaux sont type faits de silicium, nitrure de silicium, ou oxyde de silicium et sont disponibles dans une grande variété de de différentes formes, cotes, et sensibilités de force. Les Développements récents combinent les dernières technologies de circuit intégré (IC) et (CMOS) de CMOS pour produire les encorbellements extrêmement petits intelligents sous forme d'alignement.

Les Encorbellements Utilisent dans des Modes De non contact

Les années Récentes ont été témoin d'une deuxième phase évolutionnaire dans l'utilisation des encorbellements par lequel elles ne soient plus mises en contact avec une surface. Elles sont maintenant utilisées dans des systèmes de senseur fournissant un type complet neuf de transducteur miniaturisé basé selon des principes principaux de la physique comme l'effet bimétallique, le stress extérieur, ou l'oscillateur harmonique.

Avantages des Senseurs Microcantilever-Basés

Les senseurs basés de Microcantilever ont l'énorme potentiel pour le dépistage des analytes variées dans gazeux, l'aspirateur et le support de liquide. Ils ont réveillé l'intérêt considérable à cause de leur spécificité élevée, sensibilité élevée, simplicité, coût bas, condition faible d'analyte (dans le µl), procédure non-dangereuse avec moins phases, réaction rapide et alimentation de faible puissance. Des Substances aux niveaux de trace sont actuel trouvées par des techniques variées comme la chromatographie liquide de haute performance (HPLC), la chromatographie sur couche mince (TLC), la chromatographie gazeuse (GC), la chromatographie liquide de gaz (GLC) Etc. Cependant, ces techniques sont composé, coûteux en temps, coûteux et exigent l'instrumentation encombrante. Également la préparation des échantillons est une procédure complexe prolongée et exige le personnel qualifié. Mais les senseurs microcantilever-basés peuvent trouver des traces de substances dedans partie-selon-milliard (ppb) et partie-selon-trillion (ppt). Ils traduisent la reconnaissance biomoléculaire en courbure nanomechanical du microcantilever [17]. Les forces Intermoléculaires résultant de l'adsorption des molécules d'analyte sur le microcantilever induisent le stress extérieur, directement ayant pour résultat la courbure nanomechanical du microcantilever.

Sentir des Applications de Microcantilevers dans la Physique et la Chimie

Les senseurs en porte-à-faux-basés ont de vastes applications dans la physique et la chimie. Ils peuvent être employés pour mesurer des vitesses d'onde sonore, des pressions du liquide et des débits, et peuvent être ajustés pour capter sélecteur des vibrations acoustiques. Des Biotoxines ont pu être trouvées avec la sensibilité au niveau de ppt en enduisant un côté de l'encorbellement des anticorps monoclonaux particuliers pour la biotoxine particulière. Les effets de petites modifications d'atmosphérique-pression peuvent être ressentis dans la résonance de l'encorbellement vibrant. Des Effets de l'exposition aux rayonnements ultraviolets peuvent être sentis en choisissant la couche polymère correcte. On l'a observé que les encorbellements de nitrure de silicium enduits de l'or d'un côté sont tout à fait sensibles aux modifications de pH. Basé sur ceci, des senseurs basés en porte-à-faux peuvent être effectués pour trouver la modification de pH. Ils ont été également employés pour trouver la vapeur de mercure, l'humidité, le gaz naturel, les mélanges de gaz, le toluène et le plomb dans l'eau.

Types de Senseurs Basés sur le Micro et le Nanocantilevers

Senseurs d'Humidité

L'humidité dans l'environnement peut être mesurée si un côté de microcantilever est enduit de la gélatine [18]. La Gélatine grippe aux vapeurs d'eau actuelles dans l'ambiance, entraînant de ce fait la courbure de l'encorbellement. Les Chercheurs au Laboratoire National d'Oak Ridge (ORNL), ETATS-UNIS ont prouvé que des encorbellements enduits des matériaux hygroscopiques tels que l'acide phosphorique peuvent être utilisés comme senseur pour trouver la vapeur d'eau avec la définition de la masse de picogram [19]. Quand les vapeurs d'eau sont adsorbées sur la surface enduite de l'encorbellement, il y a changement de la fréquence de résonance des microcantilevers et du fléchissement en porte-à-faux. La Sensibilité des microcantilevers peut être augmentée en enduisant sa surface des matériaux ayant une affinité élevée pour l'analyte.

Senseurs d'Herbicide

Microcantilevers ont été employés pour trouver la concentration des herbicides dans l'environnement liquide par Roberto Raiteri et collègues [20]. L'acide dichlorophénoxyacétique de l'herbicide 2,4 (2,4-D) était enduit sur l'extrados de l'encorbellement. L'anticorps monoclonal contre 2,4-D a été alors fourni à l'encorbellement. L'interaction particulière entre l'anticorps monoclonal et l'herbicide a entraîné la courbure de l'encorbellement. Beaucoup de recherche continue pour développer des immunobiosensors en porte-à-faux vêtus par anticorps pour le dépistage des pesticides à base d'organochlore et organophosphoreux et des herbicides actuels à la concentration de ng/l dans des medias aqueux. Alvarez et Collègues ont expliqué l'utilisation des microcantilevers pour le dépistage du dichloro trichloroéthane dipheny de pesticide (DDT) [21].

Senseurs d'Ion En Métal

Des senseurs de Microcantilever ont été utilisés pour trouver une concentration de l'Hôte-9 10m42- dans une cellule de flux [22]. Dans ce dispositif, une couche auto-assemblée de bromure d'ammonium de triethyl-12-mercaptododecyl sur la surface or-enduite de microcantilever a été utilisée. Microcantilevers a pu être utilisé pour le dépistage chimique d'un certain nombre d'analytes gazeuses. Un dispositif à plusieurs éléments d'alignement de senseur utilisant des microcantilevers peut être effectué pour trouver les ions variés simultanément.

Senseurs de Température/Senseurs de la Chaleur

Les Changements de la température et de la chaleur courbent un encorbellement composé de matériaux avec différents coefficients d'expansion thermique par l'effet bimétallique. Les senseurs basés de Microcantilever peuvent mesurer des changements de la température aussi petite que 10-5 K et peuvent être utilisés pour la mesure de thermique de photo. Ils peuvent être employés comme microcalorimètres pour étudier l'évolution de la chaleur dans des réactions chimiques catalytiques et l'enthalpie change aux passages de phase. Les microcantilevers Bimétalliques peuvent exécuter la spectroscopie photothermique [23] avec une sensibilité de 150 FJ et une résolution temporelle de sous-milliseconde. Ils peuvent trouver des modifications de la chaleur avec la sensibilité d'attojoule.

Senseurs de Viscosité

Les Changements de la visco-élasticité moyenne changent de vitesse la fréquence en porte-à-faux de résonance. Un support hautement visqueux entourant l'encorbellement ainsi qu'une masse ajoutée mouillera la vibration en porte-à-faux abaissant sa fréquence principale de résonance. Des Encorbellements peuvent pour cette raison être vibrés par les déclencheurs piézoélectriques pour résonner et être utilisés comme les compteurs de viscosité [24].

Senseurs de Calorimetrie

Dans des ces senseurs, seulement les changements de température doivent être mesurés [25,26]. La Plupart des réactions chimiques sont associées avec un changement de la chaleur. Ainsi, la calorimetrie a le potentiel énorme de recenser un large éventail de composés. Des Enzymes comme l'oxydase de glucose peuvent être immobilisées et vêtues sur la surface du microcantilever, qui réagira particulièrement avec du glucose dans la solution produisant un signe calorimétrique reconnaissable. En Raison de la masse et de la sensibilité thermiques minuscules de l'encorbellement, senseurs de calorimetrie l'utilisation des encorbellements sera prochain rétablissement des senseurs pour trouver des changements de température.

Senseur Trouvant les Petits Programmes Magnétiques

Baselt et collègues [27] ont expliqué la possibilité d'employer des microcantilevers comme transducteurs de force pour trouver la présence des petits programmes magnétiques récepteur-enduits. Il est possible de trouver la présence du petit programme magnétique de taille unique de µm collant sur la surface en porte-à-faux functionalized en appliquant un champ magnétique externe et en mesurant le fléchissement du microcantilever. Un senseur extrêmement sensible peut être effectué en étiquetant l'analyte avec les petits programmes magnétiques.

Senseurs Basés En Porte-à-faux de la Télémesure

Les senseurs basés En Porte-à-faux de la télémesure [28] déploieront les dispositifs pouvant être mis en service pour transmettre par relais des données pertinentes aux stations centrales de ramassage. Ils activeront l'utilisation des ensembles mobiles usés ou transportés par le personnel et remonteront les senseurs de câble dans quelques applications. Les Chercheurs à ORNL établissent une puce microfabricated avec le traitement et la télémesure électroniques intrinsèques. Ils travaillent également sur une méthode pour trouver des espèces différentes.

Microsensors Pour Surveiller les Besoins de Mémoire et de Maintenance de Missile

Des senseurs basés Miniaturisés de microcantilever avec la capacité sans fil distante de surveillance ont été utilisés pour gagner l'analyse dans l'état de réserve [29]. Cette technologie évaluera la vie de munitions basée sur des paramètres environnementaux comme l'humidité, la température, la pression, le choc et la corrosion ainsi que le numéro d'autres indicateurs de dégradation de propulseur comprenant le NOx. Des détecteurs de Puce unique avec l'électronique et la télémesure ont pu être développés avec plusieurs centaines d'encorbellements comme alignement simultanément surveillent, recensent et mesurent beaucoup de paramètres importants. Les senseurs de Corrosion ont limité la durée de vie dans le modéré aux environnements sévères. Les Systèmes doivent être construction pour rassembler des conditions ambiantes pour la meilleure connaissance des conditions environnementales. Il y a un besoin de développer des matériaux comme les zéolites [30] pour l'usage en tant que couches de sensibilisation pour le dépistage particulier. Les Zéolites sont thermiquement les structures stables de cadre d'aluminosilicate utilisées commercialement en tant que les tamis moléculaires, les catalyseurs, les échangeurs ioniques et amortisseurs chimiques. Ils affichent l'excellente sélectivité et les propriétés thermiques sélectrices de désorption.

Senseurs Distants de Dépistage de Rayonnement Infrarouge

Un senseur distant (IR) de dépistage de rayonnement infrarouge a été développé par Oden et collègues [31]. Le senseur se compose d'un encorbellement piézorésistif enduit d'une couche absorbante de la chaleur. Les microcantilevers Piézorésistifs représentent un développement important en technologie non refroidie de dépistage d'IR. L'encorbellement subit la courbure due au stress différentiel entre la couche et le substrat. Les causes de courbure d'encorbellement un changement du piezoresistance, qui est proportionnel à la quantité de la chaleur absorbée. Des variations de la Température peuvent être trouvées en enduisant l'encorbellement d'un matériau différent, qui entraîne l'effet bimétallique ayant pour résultat la courbure de l'encorbellement. Ainsi, le dépistage calorimétrique des réactions chimiques peut être fait. Or-Noir servirait de matériau absorbant d'IR. Des couches bimaterial Élevées d'expansion thermique telles qu'Al, le Pb et le Zn ont pu être employées pour augmenter la courbure thermiquement induite du microcantilever. Des alignements en porte-à-faux Bidimensionnels peuvent être utilisés pour la représentation d'IR car ils sont simples, réponse hautement sensible et rapide.

Dispositifs de Dépistage d'Explosifs

On le croit que les tocs ont l'alimentation électrique sentante stupéfiante, la raison qu'ils sont généralement appliqués dans le dépistage des explosifs. Les Tocs peuvent trouver des explosifs en reniflant les produits chimiques organiques aussi bas facilement vaporisés actuels à la concentration que partie-selon-milliard. Beaucoup de groupes conduisent la recherche active avec l'intention dispositif de rendre de ` nez-sur-un-puce' ayant l'alimentation électrique sentante exact assimilée au nez de toc. On pourrait utiliser dispositif Dans cette nez-sur-un-puce de ` le' [32,33], un alignement de microcantilever dans lequel chacun en porte-à-faux sera vêtu différemment pour capter un composé organique particulier. Il peut être comporté dans notre élément d'utilisation quotidienne comme les chaussures, la canne de marche, la bourse Etc. pour trouver les explosifs sans faire les coupables savoir le fonctionnement de recherche. Le dispositif serait un accomplissement grand du point de vue de garantie et éviterait de grands accidents.

Un microcantilever enduit du platine ou un métal de passage peut réagir avec du trinitrotoluène (TNT) s'il est passionné à 570°C et retenu à cette température pour 0,1 seconde. La réaction du TNT avec la couche en porte-à-faux entraînera une mini-décomposition. Thundat et son groupe [34] développent un dispositif de boîte d'allumettes-taille pour trouver des explosifs dans le bagage d'aéroport et des mines terrestres basées sur cette technique.

Sentir des Applications de Microcantilevers dans le Domaine du Diagnostic de la Maladie

Cancer Trouvant des Microprocesseurs

Arun Majumdar et collègues [3] ont expliqué l'analyse sensible basée de microcantilever pour le diagnostic du cancer. Ils ont enduit la surface du microcantilever des anticorps particuliers à l'antigène spécifique de prostate (PSA), un repère de cancer de la prostate trouvé dans le sang des patients ayant le cancer de la prostate. Quand le microcantilever PSA-enduit a agi l'un sur l'autre avec la prise de sang du patient ayant le cancer de la prostate, le composé d'antigène-anticorps a été formé et l'en raison courbé en porte-à-faux de la masse adsorbée des molécules d'antigène. La courbure de nanomètre de l'encorbellement a été trouvée optiquement par un faisceau laser de faible puissance avec la précision de sous-nanomètre utilisant un détecteur de photo. Cette analyse basée de microcantilever était plus sensible que des techniques biochimiques conventionnelles pour le dépistage de la PSA comme elle peut trouver des niveaux d'antigène plus bas que la valeur de seuil cliniquement appropriée. La technique est aussi bonne qu'et potentiellement meilleure que l'ELISA. D'ailleurs, le coût selon l'analyse est moins car il n'y a aucun besoin de fixer les balises fluorescentes ou le radiolabel les molécules. Le dépistage de la PSA basé sur le décalage de fréquence de résonance du microcantilever nanomechanical piézoélectrique avait été expliqué également par Lee et les collègues [35].

Senseurs de Dépistage de Myoglobine

Raiteri et ses microcantilevers utilisés de groupe [4] avec de l'anticorps monoclonal d'anti-myoglobine vêtu sur l'extrados par l'éditeur absolu de l'hexanoate du sulfosuccinimidyl 6 [3 (2-pyridyldithio) - propionamido] (sulfo-LC-SPDP). Quand le sérum humain a été fourni, myoglobine liée à l'anti-myoglobine, entraînant de ce fait un fléchissement du microcantilever. 85 ng/ml de la myoglobine ont été facilement trouvés, qui est la concentration physiologique dans le sérum humain sain.

Biocapteurs de Glucose

Pei et collègues [36] ont enregistré une technique pour le dépistage micromécanique des concentrations biologiquement appropriées en glucose par immobilisation d'oxydase de glucose sur la surface de microcantilever. Le microcantilever d'enzyme-functionalized subit la courbure due à un changement de provoqué par la tension extérieur par la réaction de l'oxydase de glucose immobilisée sur la surface en porte-à-faux avec du glucose en solution. Des Expériences ont été transportées dans des conditions de flux et on l'a expliqué que les interférences communes pour le dépistage de glucose n'ont exercé aucun effet sur la mesure du glucose sanguin.

Biocapteurs pour la Maladie Coronarienne

Une application biochimique clinique de senseur a été présentée [37], où l'adsorption des lipoprotéines à basse densité (LDL) et leur forme oxydée (oxLDL) sur l'héparine ont été différenciés en mesurant le stress extérieur utilisant des microcantilevers biosensing. La capacité de différencier ces deux substances est d'intérêt parce que leur prise de plasma a principalement favorisé la forme oxydée, on pense qu'est responsable de l'accumulation de cholestérol dans l'aorte à temps et est qui associée avec la première phase de maladie coronarienne. La méthode a été également employée pour trouver les changements conformationnels de deux protéines de plasma, Immunoglobulines G (IgG) et Albumines (BSA), induites par leur adsorption sur une surface solide dans un environnement de tampon. Ce phénomène est d'importance essentielle dans des applications biomédicales concernant les surfaces solides, mais a été difficile à mesurer avec des techniques conventionnelles d'adsorption.

Senseurs Basés En Porte-à-faux Pour Trouver des Polymorphismes d'Unique-Nucléotide

Les polymorphismes Uniques de nucléotide (SNPs) dans les séquences du gène connues et le génome sont la principale préoccupation de la recherche génomique. Les mutations ponctuelles entraînent plusieurs maladies telles que la Thalassémie, le Tay Sachs, la Maladie d'Alzheimer Etc. Par Conséquent, les efforts pour trouver le polymorphisme unique de nucléotide faciliteront le diagnostic précoce de ces maladies et aideront dans la demande de règlement des patients ayant de tels troubles. Une voie pertinente et fiable de trouver de telles erreurs d'assortiment uniques de paire de bases est à l'aide des microcantilevers qui sont extrêmement sensibles aux interactions biomoléculaires particulières de reconnaissance entre la Séquence d'ADN de sonde et la Séquence d'ADN d'objectif. Elles peuvent trouver la concentration dans le pico- au domaine de femtogram. Des Sondes ADN Thiolées particulières pour la Séquence d'ADN particulière d'objectif sont immobilisées sur le microcantilever or-enduit. L'Hybridation avec la Séquence d'ADN entièrement élogieuse d'objectif entraînera le fléchissement positif net de l'encorbellement. Le fléchissement positif Net est un résultat de réduction de l'entropie basée sur la configuration du dsDNA contre le ssDNA, qui entraîne la réduction de forces de compression du côté d'or de l'encorbellement. L'Hybridation de la sonde ADN avec l'objectif ADN ayant un ou deux paire de bases mal accouple des résultats dans un fléchissement négatif net de l'encorbellement dû aux forces répulsives accrues exercées sur la surface or-enduite du microcantilever. Le fléchissement est plus grand pour l'objectif ADN ayant deux erreurs d'assortiment de paire de bases que pour l'objectif ADN ayant une erreur d'assortiment de paire de bases. Le degré de répulsion augmente à mesure que le nombre d'erreurs d'assortiment de paire de bases augmentent [38]. McKendry [39] a expliqué le biodetection étiquette étiquette multiple et les analyses ADN-grippantes quantitatives sur un alignement en porte-à-faux nanomechanical.

Ces analyses basées de fléchissement de microcantilever d'ADN seraient un avantage à la zone du pharmacogenomics, qui développera des médicaments particulièrement effectués pour viser les SNP. Ces analyses ont un temps de réponse rapide de moins de 30 mn et sont beaucoup meilleur marché que les autres techniques actuel employées pour trouver les SNP. C'est une méthode simple et la sortie c.-à-d. le fléchissement en porte-à-faux est une simple +/- signe. Les techniques Actuelles de dépistage d'hybridation comme le Transfert d'ADN exigent des états hautement rigoureux de réaction tandis que la technique microcantilever-basée exige seulement un tampon et une température ambiante physiologiques (25°C). Les Petits Groupes au sujet de la transformation de la reconnaissance biomoléculaire dans le nanomechanics sont donnés dedans [40]. L'hybridation Du Sud est procédure très pénible, coûteuse, dangereuse et longue. D'autre part, les microcantilevers retiennent une promesse grande pour le diagnostic médical parce que non seulement la présence mais l'emplacement des erreurs d'assortiment peut être trouvée.

Biopuces

Les Progrès récents dans des biopuces [41,42] ont prouvé que les senseurs basés sur la courbure des encorbellements microfabricated ont des avantages potentiels par rapport aux méthodes de dépistage précédemment utilisées. Les Biopuces avec les systèmes de dépistage mécaniques utilisent les poutres bimaterial de microcantilever (par exemple Au-SI) en tant que sentir des éléments. Le côté d'Au est habituellement enduit d'un certain récepteur. Sur la liaison de l'analyte (par exemple molécules biologiques, telles que des protéines ou des agents biologiques) avec le récepteur, la surface de récepteur est tendue ou détendue. Ceci fait guider le microcantilever et le fléchissement s'est avéré proportionnel à la concentration en analyte. Les Exemples des grippements dans (récepteur/analyte) des applications biomoléculaires sont : grippements d'anticorps-antigène ou hybridation d'ADN d'une paire de Brins d'ADN (récepteur/analyte) ayant les séquences complémentaires [42]. Les Biopuces ayant des microcantilevers en tant que sentir des éléments n'exigent pas l'alimentation externe, écriture de labels, l'électronique externe ou les molécules fluorescentes ou la transduction du signal pour leur fonctionnement. Ces types de biopuces peuvent être utilisés en examinant certaines maladies telles que le cancer et en trouvant des agents de produit chimique particulier et de guerre biologique tels que la toxine botulinique, le charbon, et l'aflatoxine. Un senseur chimique basé sur un alignement en porte-à-faux micromécanique a été expliqué par Battison et collègues [37].

Nanocantilevers : Une Découverte Importante dans des Senseurs

Nanocantilevers, 90 nanomètre profondément et effectué du nitrure de silicium, ont été employés par le groupe de chercheurs aboutis par Harold Craighead, Université de Cornell à trouver une d'une seule pièce d'ADN 1578 paires de bases de longueur [43]. Le groupe a prétendu qu'ils peuvent exactement déterminer une molécule avec la masse d'environ 0,23 attograms (1 attogram = 10-18 grammes) utilisant ces nanocantilevers. Les chercheurs ont mis des points d'or de nanoscale aux extrémités mêmes des encorbellements, qui ont agi en tant qu'agents de capture pour l'ADN bicaténaire sulfure-modifié. Mais en principe, des nanodots d'or ont pu être employés pour capturer n'importe quel biomolécule ayant un groupe libre de sulfure. Des faisceaux lasers de Lecture ont été utilisés pour mesurer la fréquence vibratoire des encorbellements. Les chercheurs croient que les nanodevices basés sur des nanocantilevers élimineraient le besoin d'amplification d'ACP pour le dépistage des Séquences d'ADN définies, simplifiant de ce fait des méthodes employées pour examiner pour des séquences du gène et des mutations particulières.

De Même, N. Nelson-Fitzpatrick . [44] à l'Université d'Alberta, le Canada ont effectué des nanocantilevers résonnants ultra minces, de la commande de 10 nanomètre, dans des composés d'aluminium-molybdène. Le groupe prétend que le développement des dispositifs NEMS-basés en matériaux métalliques activerait des zones d'applications neuves pour se sentir direct des composés chimiques variés obviant de ce fait au besoin de la dérivatisation extérieure intermédiaire.

Des Chercheurs à l'Université de Purdue sont concernés dans la création des nanocantilevers. Ils ont utilisé un alignement de nanocantilevers de longueur variable avec l'épaisseur environ de 30 nanomètre et functionalized les avec des anticorps pour les virus [45]. Ils ont proposé des résultats très intéressants concernant la variation de la densité w.r.t d'anticorps la longueur des nanocantilevers.

Conclusions

Microcantilevers ont des applications possibles dans chaque domaine de la science s'échelonnant de matériel et du produit chimique se sentant au diagnostic biologique de la maladie. Les principaux avantages d'utiliser des microcantilevers en tant que sentir des mécanismes au-dessus des senseurs conventionnels comprennent leur sensibilité élevée, coût bas, condition faible d'analyte (dans le µl), procédure non-dangereuse avec moins phases (obviant au besoin d'étiquettes), réaction et alimentation de faible puissance rapides. Le plus important est le fait qu'un alignement de microcantilevers puisse être utilisé pour le diagnostic d'un grand nombre d'analytes telles que des biomarqueurs variés de la maladie d'une maladie unique dans un unique aillent avoir de ce fait des capacités élevées énormes d'analyse de débit. La technologie retient la clé sur le prochain rétablissement des senseurs extrêmement sensibles. Avec le développement de la technologie pour des nanocantilevers, les senseurs ont réalisé la sensibilité d'attogram, qui jusque récemment a seulement été un rêve pour des chercheurs. Des accroissements Plus Ultérieurs de sensibilité permettront à des chercheurs la capacité de compter les nombres de molécules.

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Détails des Contacts

M. Sandeep Kumar Vashist

Centre National pour la Recherche de Senseur
Université de la Ville de Dublin
Glasnevin, Dublin9
Dublin, Irlande

Email : sandeep.vashist@dcu.ie

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

Last Update: 15. July 2013 15:59

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