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DOI : 10.2240/azojono0115

Una Rassegna di Microcantilevers per la Percezione delle Applicazioni

Sandeep Kumar Vashist

PTY Srl di Copyright AZoM.com.

Ciò è un articolo del Sistema delle Ricompense dell'Azo Access Aperto (Azo-REMI) distribuito ai sensi dei Azo-REMI http://www.azonano.com/oars.asp che l'uso senza restrizione dei permessi ha fornito il lavoro originale correttamente è citato ma è limitato a distribuzione ed alla riproduzione non commerciali.

Presentato: 22 maggio 2007nd

Inviato: 18 giugno 2007th

Argomenti Coperti

Estratto

Parole Chiavi

Introduzione

Rilevazione Sensibile Di Massa da Microcantilevers

Metodi di Rilevazione di Deformazione di Microcantilever

Il Metodo di Rilevazione Piezoresistive di Deformazione

Il Metodo di Rilevazione Ottico di Deformazione

Il Metodo di Rilevazione Capacitivo di Deformazione

Il Metodo di Rilevazione di Deformazione di Interferometria

Il Metodo di Rilevazione Ottico di Deformazione del Reticolo Di Diffrazione

Il Metodo di Rilevazione dell'Unità (CCD) Coppia Tassa

Beni Meccanici della Trave A Mensola

Comportamento di Piegamento delle Travi a Sbalzo

Sensori di Microcantilever

Materiali Utilizzati in Travi A Mensola Commerciali

Le Travi A Mensola Utilizzano nei Modi Senza contatto

Vantaggi ai dei Sensori Basati Microcantilever

Tipi di Sensori Basati sul Micro e su Nanocantilevers

Percezione delle Applicazioni di Microcantilevers in Fisica e Chimica

Sensori di Umidità

Sensori del Diserbante

Sensori dello Ione del Metallo

Sensori di Temperatura/Sensori di Calore

Sensori di Viscosità

Sensori di Calorimetria

Sensore che Individua le Perle Magnetiche

Sensori Basati A Mensola di Telemetria

Microsensors Per Riflettere i Bisogni di Immagazzinamento e di Conservazione del Missile

Sensori Remoti di Rilevazione di Radiazione Infrarossa

Unità di Rilevazione degli Esplosivi

Percezione delle Applicazioni di Microcantilevers nel Campo della Diagnosi di Malattia

Cancro che Individua i Microchip

Sensori di Rilevazione della Mioglobina

Biosensore per la Coronaropatia

Sensori Basati A Mensola Per Individuare i Polimorfismi del Unico Nucleotide

Biochips

Nanocantilevers: Un'Innovazione Importante in Sensori

Conclusioni

Riferimenti

Dettagli del Contatto

Estratto

I Sistemi Microelectromechanical (MEMS) [1,2] sono nato soltanto nell'ultima decade. Microcantilevers è le unità basate MEMS semplificate. Le Diverse applicazioni dei microcantilevers nel campo dei sensori sono state esplorate da molti ricercatori. Parecchi gruppi egualmente hanno indicato la possibilità di usando i microcantilevers per la diagnosi di carcinoma della prostata [3], di infarto miocardico [4] e del video del glucosio [5]. Gli Scienziati stanno inseguendo la visione di fabbricazione dei biochips miniaturizzati basati su una schiera dei microcantilevers, che possono diagnosticare parecchie malattie simultaneamente ordinariamente diagnosticate nel laboratorio clinico. Recentemente lo sviluppo dei nanocantilevers ha ridotto la tecnologia più ulteriormente con la capacità di rilevazione ultra sensibile degli analiti combinati con alta capacità di lavorazione.

Parole Chiavi

Microcantilevers, sensori, sistemi diagnostici, MEMS

Introduzione

I dispositivi diagnostici Molecolari stanno ottenendo più piccoli con l'avanzamento delle tecnologie di miniaturizzazione. Sta aumentando l'interesse nel campo della ricerca del biosensore sulle piattaforme miniaturizzate. La Miniaturizzazione è essenziale per il video in vivo fisiologico, le schiere multiple del sensore di specificità, la trasferibilità del sensore ed i volumi di campione minimizzati. I biosensori Convenzionali hanno bisogno di esteso imballaggio, del collegamento elettronico complesso e della manutenzione regolare. Questi svantaggi potrebbero essere diminuiti mediante l'uso delle unità di MEMS che integrano l'elettronica e le strutture micromeccaniche sui chip.

Microcantilevers è stato impiegato per la percezione fisica, chimica e biologica. Hanno egualmente avere ampie applicazioni nel campo di medicina, specificamente per la selezione delle malattie, la rilevazione delle mutazioni puntiformi, il video del glucosio di sangue e la rilevazione degli agenti di guerra chimica e biologica. Questi sensori presentano parecchi vantaggi sopra le tecniche analitiche convenzionali in termini di alta sensibilità, basso costo, procedura semplice, requisito basso dell'analito (nel µl), procedure non pericolose e risposta rapida. Inoltre, la tecnologia è stata sviluppata durante gli ultimi anni per il montaggio e l'uso dei nanocantilevers per la percezione delle applicazioni, quindi provocanti i sistemi di caloria di nanoelectromechani (NEMS). Questo sviluppo ha aumentato il limite della sensibilità fino alle dimensioni che i ricercatori possono ora prevedere il conteggio delle molecole. Con l'abilità di alta analisi di capacità di lavorazione degli analiti e della rilevazione ultra sensibile, questa tecnologia tiene la promessa tremenda per la generazione seguente di sensori miniaturizzati ed altamente sensibili.

Rilevazione Sensibile Di Massa da Microcantilevers

Un microcantilever è un'unità che può fungere da fisico, il sensore chimico o biologico individuando cambia nel piegamento della trave a mensola o nella frequenza vibratoria. È le controparti miniaturizzate di un trampolino che alza ed abbassa ad un intervallo regolare. Questo movimento cambia quando la massa specifica di analito specificamente è adsorbita sulla sua superficie simile al cambiamento quando una persona fa un passo sul trampolino. Ma i microcantilevers sono milione volte più piccoli del trampolino che ha dimensioni nei micron e nelle forme differenti secondo le indicazioni di figura 1.

Figura 1. tipi Differenti dei microcantilevers (visualizzazione superiore) (a) Rettangolari (b) Doppio Fornito di gambe (c) Triangolare.

Molecole adsorbite sui cambiamenti del microcantilever di una frequenza di causa e sulla deformazione vibratorii del microcantilever. La Viscosità, la densità e la portata possono essere misurate individuando i cambiamenti nella frequenza vibratoria.

Un Altro modo di rilevazione dell'adsorbimento molecolare è misurando la deformazione della trave a mensola dovuto lo sforzo dell'adsorbimento da appena un lato della trave a mensola. Secondo la natura di legame chimico della molecola, la deformazione può essere verso l'alto o verso il basso. I Biochips con i sistemi di rilevamento meccanici utilizzano comunemente i raggi del Bi-materiale del microcantilever (per esempio Au-Si) come elementi sensibili. Il lato dell'Au è ricoperto solitamente di determinato ricevitore. Sopra il legame dell'analito (per esempio molecole biologiche, quali le proteine o gli agenti biologici) con il ricevitore, la superficie del ricevitore è sottoposta a tensione o alleviata. Ciò induce il microcantilever a deviare, solitamente in nanometri, che possono essere misurati facendo uso delle tecniche ottiche. La deformazione è proporzionale alla concentrazione nell'analito. Il concetto è stato impiegato nella schermatura di malattie determinate quale cancro e nella rilevazione degli agenti di guerra biologica e del prodotto chimico specifico.

Metodi di Rilevazione di Deformazione di Microcantilever

Il Metodo di Rilevazione Piezoresistive di Deformazione

Il metodo piezoresistive [6-8] comprende l'incassassatura di un vicino materiale piezoresistive la superficie superiore della trave a mensola per registrare il cambiamento di sforzo che accade alla superficie della trave a mensola. Mentre il microcantilever devia, subisce un cambiamento di sforzo che applicherà lo sforzo al piezoresistor, quindi causante un cambiamento nella resistenza che può essere misurata attraverso i mezzi elettronici. Il vantaggio del metodo piezoresistive è che il sistema di lettura può essere integrato sul chip. Lo svantaggio è che la risoluzione di deformazione per il sistema di lettura piezoresistive è soltanto un nanometro rispetto ad un Angstrom con il metodo ottico di rilevazione. Un Altro svantaggio con il metodo è che un piezoresistor deve essere incassato nella trave a mensola. La lavorazione di una tal trave a mensola con una struttura composita è più complicata.

Il materiale di piezoresistor nel raggio deve essere localizzato vicino ad una superficie della trave a mensola come possibile per la sensibilità massima. Il tipo di verniciatura essere usando per la lavorazione del materiale piezoresistive è un fattore importante. Il coefficiente piezoresistive di silicio N Tipo è maggior di quello per P Tipo. La resistenza dell'modifiche essenziali piezoresistive quando lo sforzo si applica a. Il cambiamento relativo nella resistenza come funzione di sforzo applicato può essere scritto come:

dove il K denota il Fattore di Calibro, che è un parametro materiale. I pedici l e t si riferiscono alla parte longitudinale e trasversale del Fattore di Calibro.

La sensibilità di un piezoresistor varia proporzionalmente allo spessore t ed al raggio di curvatura. Il Fattore di Calibro è proporzionale al Modulo Di Young, E, che è la caratteristica intrinseca di materiale. Il fattore di calibro può anche essere calcolato direttamente sforzando le travi a mensola e misurando il cambiamento della resistenza.

dove il δ è lo sforzo nel materiale e nella R è la resistenza. Per un'unità sensibile, il fattore di calibro dovrebbe essere dell'ordine di 100.

La trave a sbalzo piezoresistive può essere utilizzata come braccio del circuito del Ponte di Wheatstone secondo le indicazioni di figura 2.

Figura 2. Il Circuito del Ponte di Wheatstone utilizzato per il microcantilever piezoresistive.

La resistenza del braccio della resistenza variabile () nella la figura di cui sopra può essere determinata usando la formula comune del divisore di Tensione ed è indicata come qui sotto:

Ci sarebbe un cambiamento della resistenza ogni volta che la trave a mensola è sottoposta ad una deformazione.

Il Metodo di Rilevazione Ottico di Deformazione

Il metodo ottico [8], secondo le indicazioni di figura 3, impiega un raggio laser molto di potere basso dell'ordine che non pregiudica le biomolecole ricoperte sulla superficie del microcantilever e di un rivelatore sensibile di posizione (PSD). Il raggio laser cade sulla trave a mensola ed ottiene riflesso come il livello dell'oro ricoperto sulla superficie delle elasticità a mensola quasi uno specchio come finitura. Il raggio riflesso cade sullo PSD. Quando la trave a mensola undeflected cioè non è ricoperta d'alcuna molecola, il raggio laser cadrebbe su un punto particolare sullo PSD. Mentre la trave a mensola devia, la posizione del raggio cambia, che, a sua volta, è calcolato facendo uso di elettronica appropriata. Il vantaggio di questo sistema di rilevamento è che è capace di rilevazione della deformazione nell'intervallo di sotto-nanometro. Ma questo metodo egualmente presenta i sui propri svantaggi. La presenza di raggio laser messo a fuoco in un ambiente liquido delle cellule può provocare le emissioni di gestione termiche supplementari che provocano le letture estranee. Secondariamente, il sistema di allineamento è costoso e comprende la grande precisione, che può infine aumentare il costo del kit di sistema diagnostico di tutto. Inoltre, egualmente diminuisce la trasferibilità del kit.

Figura 3. Disegno Schematico di un sistema di rilevamento ottico per la rilevazione della deformazione del microcantilever. La luce laser riflessa dal microcantilever deviato cade ad una posizione differente sullo PSD. Secondo la distanza fra le due posizioni del raggio laser sullo PSD, la deformazione del microcantilever è risoluta.

Il Metodo di Rilevazione Capacitivo di Deformazione

Il metodo capacitivo [9] è basato per principio che quando la deformazione a mensola ha luogo dovuto l'adsorbimento dell'analito, la capacità di condensatore piano è cambiato. Qui il microcantilever è una delle due zolle del condensatore. Questa tecnica di deformazione è altamente sensibile e fornisce lo spostamento assoluto. Ma questa tecnica non è adatta a misurare i grandi spostamenti. Inoltre, non funziona nelle soluzioni dell'elettrolito dovuto le correnti faradiche fra le zolle capacitive. Di Conseguenza, è limitata nelle sue applicazioni di percezione.

Il Metodo di Rilevazione di Deformazione di Interferometria

Questo metodo di rilevazione ottico [10,11] è basato sull'interferenza di un raggio laser di riferimento con il raggio laser riflesso dalla trave a mensola. L'estremità fenduta di una fibra ottica è portata vicino alla superficie a mensola. Una parte dell'indicatore luminoso è riflessa all'interfaccia fra fibra ed i media circostanti e l'altra parte è riflessa alla trave a mensola nuovamente dentro la fibra. Questi due raggi interferiscono dentro la fibra ed il segnale di interferenza può essere misurato con un fotodiodo. L'Interferometria è un metodo altamente sensibile che fornisce una misura diretta ed assoluta di spostamento. In questo metodo, l'indicatore luminoso deve essere portato vicino alla superficie a mensola per ottenere abbastanza indicatore luminoso riflesso. La Fibra ottica pochi micron a partire dall'estremità libera del microcantilever ha potuto misurare la deformazione in 0,01 intervalli di Å. Tuttavia, il posizionamento delle fibre è un compito difficile. Gli impianti di metodo bene per i piccoli spostamenti ma è meno sensibili in liquidi e quindi, di uso limitato nelle applicazioni del biosensore.

Il Metodo di Rilevazione Ottico di Deformazione del Reticolo Di Diffrazione

La luce laser riflessa dalle travi a mensola interdigitated forma un reticolo di diffrazione in cui l'intensità è proporzionale alla deformazione a mensola [12]. Ciò può essere usata per microscopia atomica della forza, rilevazione infrarossa e la percezione chimica.

Il Metodo di Rilevazione dell'Unità (CCD) Coppia Tassa

Una Telecamera CCD per la misurazione della deformazione della trave a mensola in risposta ad analito è stata usata da Kim e dai colleghe [13]. Il rivelatore sensibile di posizione qui è la Telecamera CCD che registra il raggio laser deviato dalla trave a mensola.

Beni Meccanici delle Travi A Mensola

I parametri meccanici di base di una trave a mensola sono la sorgente costante e la frequenza di risonanza.

La sorgente K costante è il fattore di proporzionalità fra forza applicata, la F ed il piegamento risultante della trave a mensola, Z. Questa relazione è chiamata la legge di Hooke.

F = - il KZ

La costante della sorgente rende la rigidezza della trave a mensola. Per una trave a mensola rettangolare della lunghezza l, la costante della sorgente può essere scritta As

dove la E è il modulo e la I Di Young è il momento di inerzia. Una sorgente tipica costante per una trave a mensola sensibile di sforzo è nell'ordine di 1 mN/m - 1 N/m.

La frequenza f di risonanzares per una trave a mensola rettangolare semplice può essere espressa As

dove il ρ è la densità di massa, la h e w denota l'altezza e la larghezza della trave a mensola rispettivamente. Il momento di inerzia per una trave a mensola rettangolare può essere scritto As

Un'espressione più semplice per la frequenza di risonanza può essere scritta in funzione della costante della sorgente As

dove ammassi, m=ρ.h.l.w. La relazione indica che la frequenza di risonanza aumenta in funzione della costante aumentante della sorgente e di fare diminuire il Massachusetts a mensola.

L'uso dei microcantilevers è stato capito universalmente ma la biomeccanica [14] ed il meccanismo di fondo di deformazione del microcantilever ancora completamente non è stabilita.

Comportamento di Piegamento delle Travi a Sbalzo

Uno sforzo di superficie costante che agisce su un materiale isotropo aumenta (nel caso della sollecitazione di compressione) o diminuzioni (nel caso dello sforzo di trazione) l'area secondo le indicazioni di figura 4. Se questo sforzo non è compensato al lato opposto di una zolla o di un raggio sottile, l'intera struttura piegherà. Fra le aree della sollecitazione di compressione e lo sforzo di trazione, c'è un piano neutro che non è deformato. dovuto il piegamento, una forza F sta agendo ad una distanza della x nei risultati del piano neutro in un momento flettente M=F.x. Di Conseguenza, il raggio di curvatura R è dato vicino:

1/R = dz/dx22 = M/EI

dove la E è il modulo e la I Di Young evidenti è il momento di inerzia dato dalla seguente equazione per i raggi rettangolari

Il cambiamento nello sforzo di superficie su un lato del raggio causerà il piegamento statico ed il momento flettente può essere calcolato come:

Δσ = σ1 - il σ2 è lo sforzo di superficie differenziale con σ1 e σ2 come sforzo di superficie sul lato superiore e più basso della trave a mensola rispettivamente (figura 5). Inserendo questi valori della I e della M. nella formula del primo di equazione Stoney dei rendimenti [15]:

Figura 4. Piegamento di una trave a sbalzo in risposta a compressivo ed agli sforzi di trazione. (a) Lo sforzo di superficie Compressivo dovuto la repulsione fra le biomolecole piombo verso il basso/a deformazione negativa della trave a sbalzo. (b) lo sforzo di superficie Di Tensione dovuto l'attrazione fra le molecole piombo verso l'alto/a deformazione positiva della trave a sbalzo.

La Figura 5. visualizzazione Laterale di una trave a sbalzo sottile di spessore t ha sottoposto alla sollecitazione di compressione. il σ1 è lo sforzo alla superficie superiore e il σ2 è lo sforzo all'intradosso della trave a mensola. La trave a sbalzo piega con un raggio di curvatura costante R.

Considerare le condizioni al contorno di una trave a mensola (R„ L), l'equazione di cui sopra può essere risolta e lo spostamento delle travi a mensola può essere scritto come:

I Cambiamenti nello sforzo di superficie possono essere il risultato delle interazioni trattate o elettrostatiche dell'adsorbimento fra le molecole fatte pagare sulla superficie come pure i cambiamenti nel hydrophobicity di superficie ed i cambiamenti conformazionali delle molecole adsorbite.

Oltre al piegamento indotto da stress di superficie, l'espansione di volume delle travi a mensola bimaterial può provocare un piegamento statico. Una trave a mensola bimaterial subisce il piegamento dovuto l'adsorbimento di gas se i coefficienti di espansione di volume dei due materiali sono differenti.

Sensori di Microcantilever

Le applicazioni di Biosensing richiedono velocemente, metodi di facile impiego e a buon mercato ed altamente sensibili per la rilevazione degli analiti con la capacità per la selezione di alto-capacità di lavorazione. Tutti questi punti possono essere compiuti dai sensori a mensola micromachined, che sono quindi candidati ideali per le applicazioni biosensing. Le varie applicazioni dei sensori basati microcantilever sono riassunte nella Figura 6.

Figura 6. Applicazioni ai dei sensori basati microcantilever.

Microcantilever ha basato i sensori [16] è le unità di MEMS più semplici che offrissero un futuro molto di promessa per lo sviluppo dei sensori chimici e biologici novelli di fisico medica. Sono dei la sistemi di rilevamento dell'analito più recenti e maggior parte più avanzati con il limite di segnalazione ben più basso delle tecniche più avanzate corrente impiegate. La massa adsorbita degli analiti causa il piegamento nanomechanical del microcantilever. Il cambiamento nella massa sulla superficie del microcantilever dovuto l'associazione delle molecole dell'analito è direttamente proporzionale alla deformazione del microcantilever. Quindi, la rilevazione qualitativa come pure quantitativa degli analiti può essere realizzata.

Materiali Utilizzati in Travi A Mensola Commerciali

Le travi a mensola commerciali sono fatte tipicamente di silicio, del nitruro di silicio, o dell'ossido di silicio e sono disponibili in un'ampia varietà di forme, di dimensioni e di sensibilità differenti della forza. Gli sviluppi Recenti combinano le ultime tecnologie del circuito integrato (IC) e (CMOS) di tecnologia CMOS per produrre le travi a mensola estremamente piccole intelligenti sotto forma di schiera.

Le Travi A Mensola Utilizzano nei Modi Senza contatto

Gli anni Recenti hanno testimoniato un secondo punto evolutivo nell'uso delle travi a mensola con cui più non sono messi in contatto con una superficie. Ora sono utilizzati nei sistemi del sensore che forniscono completamente un nuovo tipo di trasduttore miniaturizzato basato per principi fondamentali di fisica come l'effetto bimetallico, lo sforzo di superficie, o l'oscillatore armonico.

Vantaggi ai dei Sensori Basati Microcantilever

Microcantilever ha basato i sensori ha potenziale enorme per la rilevazione di vari analiti in gassato, nel vuoto e nel media del liquido. Hanno destato il considerevole interesse a causa della loro alta specificità, alta sensibilità, semplicità, basso costo, requisito basso dell'analito (nel µl), procedura non pericolosa con meno punti, risposta rapida e requisito di potere basso. Le Sostanze ai livelli di traccia corrente sono individuate mediante varie tecniche come cromatografia liquida a alta pressione (HPLC), la cromatografia di strato sottile (TLC), la gascromatografia (GC), la cromatografia a fase mobile liquida di gas (GLC) Ecc. Tuttavia, queste tecniche sono complesse, che richiede tempo, costose e richiedono la strumentazione ingombrante. Egualmente il preparato del campione è una procedura complessa prolungata e richiede nel il personale esperto. Ma ai i sensori basati microcantilever possono individuare le tracce delle sostanze dentro parte-per-miliardo (ppb) e parte-per-trilione (ppt). Traducono il riconoscimento biomolecolare in piegamento nanomechanical del microcantilever [17]. Le forze Intermolecolari in seguito all'adsorbimento delle molecole dell'analito sul microcantilever inducono lo sforzo di superficie, direttamente con conseguente piegamento nanomechanical del microcantilever.

Percezione delle Applicazioni di Microcantilevers in Fisica e Chimica

Ai i sensori basati a a mensola hanno estese applicazioni in fisica e chimica. Possono essere usati per misurare le velocità dell'onda sonora, le pressioni del fluido e le portate e possono essere sintonizzati per prendere selettivamente le vibrazioni acustiche. Le Biotossine hanno potuto essere individuate con la sensibilità al livello del ppt ricoprendo un lato della trave a mensola d'anticorpi monoclonali specifici per la biotossina particolare. Gli effetti di piccoli cambiamenti di atmosferico-pressione possono essere percepiti nella risonanza della trave a mensola di vibrazione. Gli Effetti dell'esposizione alle radiazioni ultraviolette possono essere percepiti scegliendo il rivestimento polimerico adeguato. È stato osservato che le travi a mensola del nitruro di silicio ricoperte d'oro da un lato sono abbastanza sensibili ai cambiamenti di pH. Sulla Base di questo, i sensori basati a mensola possono essere fatti per individuare il cambiamento di pH. Egualmente sono stati usati per individuare il vapore di mercurio, l'umidità, il gas naturale, i miscugli di gas, il toluene ed il cavo in acqua.

Tipi di Sensori Basati sul Micro e su Nanocantilevers

Sensori di Umidità

L'umidità nell'ambiente può essere misurata se un lato di microcantilever è ricoperto di gelatina [18]. La Gelatina lega ai vapori acquei presenti nell'atmosfera, quindi causante il piegamento della trave a mensola. I Ricercatori al Laboratorio Nazionale di Oak Ridge (ORNL), U.S.A. hanno indicato che le travi a mensola ricoperte di materiali igroscopici quale acido fosforico possono essere utilizzate come sensore per la rilevazione del vapore acqueo con risoluzione della massa del picogram [19]. Quando i vapori acquei sono adsorbiti sulla superficie rivestita della trave a mensola, c'è cambiamento nella frequenza di risonanza dei microcantilevers e della deformazione a mensola. La Sensibilità dei microcantilevers può essere aumentata ricoprendo la sua superficie di materiali che hanno un'alta affinità per l'analito.

Sensori del Diserbante

Microcantilevers è stato usato per individuare la concentrazione di diserbanti nell'ambiente liquido da Roberto Raiteri e colleghe [20]. L'acido diclorofenossiacetico del diserbante 2,4 (2,4-D) era rivestito sulla superficie superiore della trave a mensola. L'anticorpo monoclonale contro 2,4-D poi è stato fornito alla trave a mensola. L'interazione specifica fra l'anticorpo monoclonale ed il diserbante ha causato il piegamento della trave a mensola. Molta ricerca sta continuando a sviluppare i immunobiosensors a mensola ricoperti anticorpo per la rilevazione degli antiparassitari a base d'organocloro ed organofosforosi e dei diserbanti presenti a concentrazione di ng/l nei media acquosi. Alvarez ed i Colleghe hanno dimostrato l'uso dei microcantilevers per la rilevazione di dicloro tricloroetano dipheny dell'antiparassitario (DDT) [21].

Sensori dello Ione del Metallo

I sensori di Microcantilever sono stati impiegati per individuare una concentrazione di Ass.Comm.-9 10m42- in una cella di flusso [22]. In questa unità, un livello auto-montato di bromuro dell'ammonio di triethyl-12-mercaptododecyl sulla superficie d'oro rivestita del microcantilever è stato utilizzato. Microcantilevers ha potuto essere usato per la rilevazione chimica di una serie di analiti gassosi. Un'unità a più elementi di schiera del sensore che impiega i microcantilevers può essere fatta per individuare simultaneamente i vari ioni.

Sensori di Temperatura/Sensori di Calore

I Cambiamenti nella temperatura e nel calore piegano una trave a mensola composta di materiali con differenti coefficienti di espansione termica dall'effetto bimetallico. Microcantilever ha basato i sensori può misurare i cambiamenti nella temperatura piccola quanto 10-5 K e può essere usato per la misura del termale della foto. Possono essere usati come microcalorimetri per studiare l'evoluzione del calore nelle reazioni chimiche catalitiche e l'entalpia cambia alle transizioni di fase. I microcantilevers Bimetallici possono eseguire la spettroscopia photothermal [23] con una sensibilità di 150 FJ e una risoluzione di tempo di sotto-millisecondo. Possono individuare i cambiamenti del calore con la sensibilità del attojoule.

Sensori di Viscosità

I Cambiamenti nella viscoelasticità media spostano la frequenza a mensola di risonanza. Un media altamente viscoso che circonda la trave a mensola come pure la massa aggiunta ammortizzerà l'oscillazione a mensola che abbassa la sua frequenza fondamentale di risonanza. Le Travi A Mensola possono quindi essere vibrate dagli azionatori piezoelettrici per risuonare ed essere utilizzate come metri della viscosità [24].

Sensori di Calorimetria

In questi sensori, soltanto i mutamenti di temperatura devono essere misurati [25,26]. La Maggior Parte delle reazioni chimiche sono associate con un cambiamento il a temperatura elevata. Così, la calorimetria ha il potenziale tremendo di identificare una vasta gamma di composti. Gli Enzimi come l'ossidasi di glucosio possono essere vincolati e ricoperti sulla superficie del microcantilever, che reagirà specificamente con glucosio nella soluzione producendo un segnale calorimetrico riconoscibile. dovuto la massa e la sensibilità termiche minuscole della trave a mensola, sensori di calorimetria impiegare le travi a mensola sarà generazione seguente di sensori per la rilevazione dei mutamenti di temperatura.

Sensore che Individua le Perle Magnetiche

Baselt ed i colleghe [27] hanno spiegato la possibilità di usando i microcantilevers come trasduttori della forza per individuare la presenza di perle magnetiche ricevitore-rivestite. È possibile individuare la presenza di perla magnetica di singola dimensione del µm che attacca sulla superficie a mensola functionalized applicando un campo magnetico esterno e misurando la deformazione del microcantilever. Un sensore estremamente sensibile può essere fatto contrassegnando l'analito con le perle magnetiche.

Sensori Basati A Mensola di Telemetria

I sensori basati A Mensola di telemetria [28] spiegheranno le unità fieldable per trasmettere i dati pertinenti alle stazioni centrali della raccolta. Permetteranno all'uso delle unità mobili indossate o portate dal personale e sostituiranno i sensori collegati in alcune applicazioni. I Ricercatori a ORNL stanno costruendo un chip microfabricated con trattamento elettronico incorporato e telemetria. Egualmente stanno lavorando ad un metodo per individuare le specie differenti.

Microsensors Per Riflettere i Bisogni di Immagazzinamento e di Conservazione del Missile

I sensori basati microcantilever Miniaturizzati con la capacità wireless remota di video sono stati impiegati per guadagnare la comprensione nello stato della riserva [29]. Questa tecnologia valuterà la vita delle munizioni basata sui parametri ambientali come umidità, la temperatura, pressione, scossa e corrosione come pure numero di altri indicatori di degradazione propellente compreso il NOx. I Singoli rivelatori di chip con elettronica e telemetria hanno potuto essere sviluppati con diverse centinaia travi a mensola come schiera simultaneamente riflettono, identificano e quantificano molti parametri importanti. I sensori di Corrosione hanno limitato la vita in moderato agli ambienti severi. I Sistemi devono essere configurazione per raccogliere i dati ambientali per migliore conoscenza delle condizioni ambientali. C'è una necessità di sviluppare i materiali come le zeoliti [30] per uso come rivestimenti di sensibilizzazione per rilevazione specifica. Le Zeoliti sono termicamente strutture stabili della struttura del aluminosilicate usate commercialmente come i setacci molecolari, i catalizzatori, gli scambiatori di ioni ed assorbitori chimici. Mostrano la selettività eccellente ed i beni selettivi di desorbimento termico.

Sensori Remoti di Rilevazione di Radiazione Infrarossa

Un sensore remoto (IR) di rilevazione di radiazione infrarossa è stato sviluppato da Oden e dai colleghe [31]. Il sensore si compone di una trave a mensola piezoresistive ricoperta di livello assorbente del calore. I microcantilevers Piezoresistive rappresentano uno sviluppo importante nella tecnologia non raffreddata di rilevazione di IR. La trave a mensola subisce il piegamento dovuto lo sforzo differenziale fra il rivestimento ed il substrato. Le cause di piegamento della trave a mensola un cambiamento nel piezoresistance, che è proporzionale alla quantità del calore assorbente. Le variazioni della Temperatura possono essere individuate ricoprendo la trave a mensola di materiale differente, che causa l'effetto bimetallico con conseguente piegamento della trave a mensola. Quindi, la rilevazione calorimetrica delle reazioni chimiche può essere fatta. D'oro Nero servirebbe da materiale assorbente di IR. Gli Alti rivestimenti bimaterial di espansione termica quali Al, Pb e Zn hanno potuto essere usati per aumentare il piegamento termicamente indotto del microcantilever. Le schiere a mensola Bidimensionali possono essere usate per la rappresentazione di IR poichè sono semplici, risposta altamente sensibile e veloce.

Unità di Rilevazione degli Esplosivi

È creduto che i cani abbiano la potenza odorante stupefacente, la ragione che ampiamente sono impiegate nella rilevazione degli esplosivi. I Cani possono individuare gli esplosivi fiutando i prodotti chimici organici in basso facilmente vaporizzati presenti a concentrazione quanto parte-per-miliardo. Molti gruppi stanno conducendo la ricerca attiva con l'intenzione di rendere unità di un punta-su-un-chip del `' che ha la potenza odorante esattamente simile alla punta del cane. L'unità in questo punta-su-un-chip del `' [32,33], una schiera del microcantilever potrebbe essere utilizzata in cui ciascuna a mensola sarà ricoperta diversamente per prendere un composto organico specifico. Può essere incorporata nel nostro elemento di uso di ogni giorno come le scarpe, la canna di camminata, la borsa Ecc. per individuare gli esplosivi senza lasciare i colpevoli sapere circa l'operazione di ricerca. L'unità sarebbe un grande risultato dal punto di vista di protezione ed impedirebbe i gravi incidenti.

Un microcantilever ricoperto di platino o metallo di transizione può reagire con il trinitrotoluene (TNT) se è riscaldato a 570°C ed è tenuto a quella temperatura per 0,1 seconda. La reazione di TNT con il rivestimento a mensola causerà un'mini-esplosione. Thundat ed il suo gruppo [34] stanno sviluppando un'unità di scatola di fiammiferi-dimensione per individuare gli esplosivi in bagagli dell'aeroporto e le mine terrestri basate su questa tecnica.

Percezione delle Applicazioni di Microcantilevers nel Campo della Diagnosi di Malattia

Cancro che Individua i Microchip

Arun Majumdar e colleghe [3] ha dimostrato l'analisi sensibile basata microcantilever per la diagnosi di cancro. Hanno ricoperto la superficie del microcantilever d'anticorpi specifici all'antigene specifico della prostata (PSA), un indicatore del carcinoma della prostata trovato nel sangue dei pazienti che hanno carcinoma della prostata. Quando il microcantilever PSA-rivestito ha interagito con il campione di sangue del paziente avendo carcinoma della prostata, il complesso dell'antigene-anticorpo è stato formato ed il piegato a mensola dovuto la massa adsorbita delle molecole dell'antigene. Il piegamento di nanometro della trave a mensola è stato individuato otticamente da un raggio laser di potere basso con precisione di sotto-nanometro facendo uso di un rivelatore di foto. Questa analisi basata microcantilever era più sensibile delle tecniche biochimiche convenzionali per rilevazione dello PSA come può individuare i livelli dell'antigene più in basso del valore di soglia clinicamente pertinente. La tecnica è buona quanto e potenzialmente migliore di ELISA. Inoltre, il costo per analisi è di meno poichè non c'è necessità di fissare i tag o il radiolabel fluorescenti le molecole. La rilevazione dello PSA basata sullo spostamento di frequenza di risonanza di microcantilever nanomechanical piezoelettrico era stata dimostrata egualmente da Lee e dai colleghe [35].

Sensori di Rilevazione della Mioglobina

Raiteri ed i suoi microcantilevers impiegati del gruppo [4] con l'anticorpo monoclonale della anti-mioglobina ricoperto sulla superficie superiore dal inter-linker dell'esanoato di sulfosuccinimidyl 6 [3 (2-pyridyldithio) - propionamido] (sulfo-LC-SPDP). Quando il siero umano è stato fornito, mioglobina limitata alla anti-mioglobina, quindi causante una deformazione del microcantilever. 85 ng/ml di mioglobina sono stati individuati facilmente, che è la concentrazione fisiologica nel siero umano sano.

Biosensori del Glucosio

Pei ed i colleghe [36] hanno riferito una tecnica per rilevazione micromeccanica delle concentrazioni biologicamente pertinenti nel glucosio tramite immobilizzazione dell'ossidasi di glucosio sulla superficie del microcantilever. Il microcantilever dell'enzima-functionalized subisce il piegamento dovuto un cambiamento in indotto da stress di superficie dalla reazione dell'ossidasi di glucosio vincolata sulla superficie a mensola con glucosio in soluzione. Gli Esperimenti sono stati portati nelle circostanze di flusso ed è stato dimostrato che le interferenze comuni per rilevazione del glucosio non hanno avute effetto sulla misura del glucosio di sangue.

Biosensori per la Coronaropatia

Un'applicazione biochimica clinica del sensore è stata presentata [37], dove l'adsorbimento delle lipoproteine a bassa densità (LDL) ed il loro modulo ossidato (oxLDL) sull'eparina sono stati differenziati misurando lo sforzo di superficie che impiega i microcantilevers biosensing. La capacità di differenziare queste due specie è di interesse perché il loro assorbimento da plasma principalmente ha favorito il modulo ossidato, che è creduto di essere responsabile della capitalizzazione di colesterolo nell'aorta a tempo ed è associato con la prima fase di coronaropatia. Il metodo egualmente è stato utilizzato per individuare i cambiamenti conformazionali in due proteine del plasma, Immunoglobulina G (IgG) ed Albumine (BSA), indotte dal loro adsorbimento su una superficie solida in un ambiente del buffer. Questo fenomeno è di importanza cruciale nelle applicazioni biomediche che comprendono le superfici solide, ma è stato difficile da misurare con le tecniche convenzionali dell'adsorbimento.

Sensori Basati A Mensola Per Individuare i Polimorfismi del Unico Nucleotide

I Singoli polimorfismi del nucleotide (SNPs) all'interno delle sequenze conosciute del gene e del genoma sono il principale preoccupazione della ricerca di genomica. Le Mutazioni puntiformi causano parecchie malattie quali la Talassemia, Tay Sachs, il Morbo di Alzheimer Ecc. Di Conseguenza, gli sforzi per individuare il singolo polimorfismo del nucleotide aiuteranno nella diagnosi precoce di queste malattie ed aiuteranno nel trattamento dei pazienti che hanno tali disordini. Un efficace e modo affidabile di rilevazione dei tali disadattamento singoli della coppia di basi è usando i microcantilevers che sono estremamente sensibili alle interazioni biomolecolari specifiche del riconoscimento fra la sequenza del DNA della sonda e la sequenza del DNA dell'obiettivo. Possono individuare la concentrazione nel pico- all'intervallo del femtogram. Le sonde Tiolate del DNA specifiche per la sequenza particolare del DNA dell'obiettivo sono vincolate sul microcantilever d'oro rivestito. L'Ibridazione con la sequenza completamente lusinghiera del DNA dell'obiettivo causerà la deformazione positiva netta della trave a mensola. La deformazione positiva Netta è un risultato di riduzione dell'entropia di configurazione di dsDNA contro ssDNA, che causa la riduzione delle forze di compressione dal lato dell'oro della trave a mensola. L'Ibridazione del DNA della sonda con il DNA dell'obiettivo che ha una o due coppia di basi mal adatta i risultati in una deformazione negativa netta della trave a mensola dovuto le forze di repulsione aumentate esercitate sulla superficie d'oro rivestita del microcantilever. La deformazione è maggior per il DNA dell'obiettivo che ha due disadattamento della coppia di basi che per il DNA dell'obiettivo che ha un disadattamento della coppia di basi. Il grado di repulsione aumenta mentre il numero dei disadattamento della coppia di basi aumenta [38]. McKendry [39] ha dimostrato il biodetection contrassegno contrassegno multiplo e le analisi quantitative dell'DNA-associazione su una schiera a mensola nanomechanical.

Queste analisi di deformazione del microcantilever basate DNA sarebbero un vantaggio al campo del pharmacogenomics, che svilupperà le droghe specificamente fatte per mirare allo SNPs. Queste analisi hanno un tempo di reazione rapido di meno di 30 minuti e sono molto più economiche delle altre tecniche corrente usate per individuare lo SNPs. È una procedura semplice e l'output cioè la deformazione a mensola è un semplice +/- segnale. Le tecniche Correnti di rilevazione di ibridazione come macchiare Del Sud richiedono gli stati altamente rigorosi della reazione mentre alla la tecnica basata microcantilever richiede soltanto un buffer e una temperatura ambiente fisiologici (25°C). I Dettagli circa la trasformazione del riconoscimento biomolecolare nel nanomechanics si arrendono [40]. L'ibridazione Del Sud è procedura molto noiosa, costosa, pericolosa e che richiede tempo. D'altra parte, i microcantilevers tengono una grande promessa per la diagnosi medica perché non solo la presenza ma la posizione dei disadattamento può essere trovata.

Biochips

Gli avanzamenti Recenti in biochips [41,42] hanno indicato che i sensori basati sul piegamento delle travi a mensola microfabricated presentano i vantaggi potenziali sopra i metodi di rilevazione precedentemente usati. I Biochips con i sistemi di rilevamento meccanici utilizzano i raggi bimaterial del microcantilever (per esempio Au-Si) come elementi sensibili. Il lato dell'Au è ricoperto solitamente di determinato ricevitore. Sopra il legame dell'analito (per esempio molecole biologiche, quali le proteine o gli agenti biologici) con il ricevitore, la superficie del ricevitore è sottoposta a tensione o alleviata. Ciò induce il microcantilever a deviare e la deformazione è risultata proporzionale alla concentrazione nell'analito. Gli Esempi delle associazioni (ricevitore/analito) nelle applicazioni biomolecolari sono: associazioni dell'anticorpo-antigene o ibridazione del DNA di un paio dei fili del DNA (ricevitore/analito) che hanno sequenze complementari [42]. I Biochips che hanno microcantilevers come elementi sensibili non richiedono la potenza esterna, contrassegnare, elettronica esterna o molecole fluorescenti o trasduzione del segnale per la loro operazione. Questi tipi di biochips possono essere utilizzati nella schermatura di malattie determinate quale cancro e nella rilevazione degli agenti di guerra biologica e del prodotto chimico specifico quali la tossina botulinica, l'antrace e l'aflatossina. Un sensore chimico basato su una schiera a mensola micromeccanica è stato dimostrato da Battison e dai colleghe [37].

Nanocantilevers: Un'Innovazione Importante in Sensori

Nanocantilevers, 90 nanometro densamente e fatto del nitruro di silicio, è stato usato dal gruppo di ricercatori piombo da Harold Craighead, Cornell University individuare un pezzo singolo di DNA 1578 coppie di basi di lunghezza [43]. Il gruppo ha sostenuto che possono determinare esattamente una molecola con la massa di circa 0,23 attograms (1 attogram = 10-18 grammi) che impiegano questi nanocantilevers. I ricercatori hanno collocato i punti dell'oro del nanoscale alle estremità stesse delle travi a mensola, che hanno funto da agenti di bloccaggio per il DNA a doppia elica solfuro-modificato. Ma in linea di principio, i nanodots dell'oro hanno potuto essere usati per catturare tutta la biomolecola che ha un gruppo libero del solfuro. I raggi laser di Scansione sono stati utilizzati per misurare la frequenza vibratoria delle travi a mensola. I ricercatori ritengono che i nanodevices basati sui nanocantilevers abbiano eliminato l'esigenza dell'amplificazione di PCR per la rilevazione delle sequenze definite del DNA, quindi semplificante i metodi impiegati per schermare per le sequenze specifiche e le mutazioni del gene.

Similmente, N. Nelson-Fitzpatrick . [44] all'Università di Alberta, il Canada ha fatto i nanocantilevers sonori ultra sottili, dell'ordine di 10 nanometro, nei compositi del alluminio-molibdeno. Il gruppo sostiene che lo sviluppo alle delle unità basate NEMS in materiali metallici permetterebbe ai nuovi campi di applicazioni per la percezione diretta dei composti chimici vari che prevengono così il bisogno della derivatizzazione di superficie intermedia.

I Ricercatori alla Purdue University sono coinvolgere nella creazione dei nanocantilevers. Hanno impiegato una schiera dei nanocantilevers della lunghezza variante con spessore di circa 30 nanometro e functionalized loro con gli anticorpi per i virus [45]. Hanno fornito i risultati molto interessanti pertinente alla variazione nella densità w.r.t dell'anticorpo la lunghezza dei nanocantilevers.

Conclusioni

Microcantilevers ha le applicazioni potenziali in ogni campo di scienza che varia da fisico e del prodotto chimico che percepisce alla diagnosi biologica di malattia. I vantaggi principali di uso dei microcantilevers come percezione dei meccanismi sopra i sensori convenzionali comprendono la loro alta sensibilità, basso costo, requisito basso dell'analito (nel µl), procedura non pericolosa con meno punti (che prevengono l'esigenza dei contrassegni), risposta e requisito di potere basso rapidi. Più importante è il fatto che una schiera dei microcantilevers può essere impiegata per la diagnosi di tantissimi analiti quali i vari biomarcatori di malattia di singola malattia in un singolo va così avere alte capacità tremende dell'analisi di capacità di lavorazione. La tecnologia tiene il tasto alla generazione seguente di sensori altamente sensibili. Con lo sviluppo della tecnologia per i nanocantilevers, i sensori hanno raggiunto la sensibilità del attogram, che fino ad oggi è stata soltanto un sogno per i ricercatori. Gli accrescimenti Più Ulteriori nella sensibilità concederanno a ricercatori la capacità di contare i numeri delle molecole.

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Dettagli del Contatto

Dott. Sandeep Kumar Vashist

Centro Nazionale per Ricerca del Sensore
Dublin City University
Glasnevin, Dublin9
Dublino, Irlanda

Email: sandeep.vashist@dcu.ie

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

Last Update: 15. July 2013 16:07

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