OARS - Open Access Rewards System
DOI : 10.2240/azojono0115

アプリケーションを感じるための Microcantilevers の検討

Sandeep Kumar Vashist

版権の AZoM.com の Pty 株式会社。

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入れられる: 2007 年 5 月nd 22 日

掲示される: 2007 年 6 月th 18 日

カバーされるトピック

概要

キーワード

導入

Microcantilevers 著多くの敏感な検出

Microcantilever の偏向の検出方法

圧抵抗偏向の検出方法

光学偏向の検出方法

容量性偏向の検出方法

インターフェロメトリーの偏向の検出方法

光学回折格子の偏向の検出方法

電荷結合素子の (CCD)検出方法

片持梁の機械特性

片持梁ビームの曲がる動作

Microcantilever センサー

商業片持梁で使用される材料

片持梁は無接触モードで使用します

Microcantilever ベースのセンサーの利点

マイクロおよび Nanocantilevers に基づくタイプのセンサー

物理学および化学の Microcantilevers のアプリケーションの感知

湿気センサー

除草剤センサー

金属イオンセンサー

温度センサ/熱センサー

粘着性センサー

熱量測定センサー

磁気ビードを検出するセンサー

片持梁基づいたテレメトリーセンサー

ミサイルの記憶および維持の必要性を監視する Microsensors

遠隔赤外放射の検出センサー

爆薬の探知装置

病気の診断のフィールドの Microcantilevers のアプリケーションの感知

マイクロチップを検出している蟹座

ミオグロビンの検出センサー

冠状心臓病のためのバイオセンサー

単一ヌクレオチドの多形を検出する片持梁基づいたセンサー

Biochips

Nanocantilevers: センサーの主要な進歩

結論

参照

接触の細部

概要

Microelectromechanical システム (MEMS) [1,2] 最後のディケイドのだけ存在に入って来ました。 Microcantilevers は簡単 MEMS によって基づく装置です。 センサーのフィールドの microcantilevers の多様なアプリケーションは多くの研究者によって探索されました。 何人かのグループはまた前立腺癌 [3]、心筋梗塞 [4] およびブドウ糖のモニタリング [5] の診断のために microcantilevers を使用する可能性を示しました。 科学者は臨床実験室で複数の同時に定期的に診断された病気を検出できる microcantilevers のアレイに基づいて小型化された biochips の作成の視野を追跡しています。 最近 nanocantilevers の開発は analytes の超高いスループットと結合される敏感な検出の機能の技術を更に縮小しました。

キーワード

Microcantilevers のセンサー、診断、 MEMS

導入

分子診断装置は小型化の技術の進歩とより小さくなっています。 そこに小型化されたプラットホームのバイオセンサーの研究のフィールドの興味を高めています。 小型化は生体内の生理学的なモニタリング、多重特定性センサーのアレイ、センサーの可搬性および最小化されたサンプルボリュームのために必要です。 慣習的なバイオセンサーは広範な包み、複雑な電子インターフェイスし、そして定期的なメインテナンスを必要とします。 これらの欠点はチップの電子工学そして micromechanical 構造を統合する MEMS 装置の使用によって減らすことができます。

Microcantilevers は物理的な、化学生物的感知のために用いられました。 それらに病気のスクリーニング、点突然変異の検出、化学および細菌戦争エージェントの血ブドウ糖のモニタリングおよび検出のための薬のフィールドで、とりわけ広いアプリケーションがあることをまた持っています。 これらのセンサーに高い感度、低価格、簡単なプロシージャ、低い analyte の条件 (µl で)、非危険なプロシージャおよび速い応答の点では慣習的な解析技法上の複数の利点があります。 さらに、技術はそれにより nanoelectromechani cal システム (NEMS) をもたらすアプリケーションを感じるための nanocantilevers の製造そして使用のためのここ数年間に、開発されました。 この開発は範囲まで研究者が今分子のカウントを視覚化できること感度の限界を高めました。 analytes および超敏感な検出の高いスループット分析の能力によって、この技術は小型化され、機密性が高いセンサーの次世代のための途方もない約束を保持します。

Microcantilevers 著多くの敏感な検出

microcantilever は物理的のとして機能できる装置です検出による化学か生物的センサーは片持梁曲がるか、または振動の頻度で変更します。 それは規則的間隔で上下に動く飛込台の小型化された同等です。 この動きは人が飛込台に歩むとき analyte の特定の大容量が変更と同じような表面でとりわけ吸着されるとき変更します。 しかし microcantilevers は図 1. に示すようにミクロンおよび異なった形で次元を持っている飛込台より小さいです百万倍。

図 1. 三角 microcantilevers (平面図) のタイプ (a) 長方形の (b) 二重脚の (c)。

microcantilever の原因の microcantilever の振動の頻度変更そして偏向で吸着される分子。 粘着性、密度および流動度は振動の頻度の変更の検出によって測定することができます。

分子吸着を検出するもう一つの方法は片持梁のちょうど 1 つの側面の吸着圧力による片持梁の偏向の測定によって行います。 分子の化学結合の性質によって、偏向は上下にある場合もあります。 機械検出システムが付いている Biochips は感知要素として一般に microcantilever Bi 材料 (例えば Au Si) のビームを使用します。 Au の側面は通常ある特定の受容器が塗られます。 受容器を搭載する analyte (蛋白質または生物学的因子のような例えば生物的分子、) の結合に、受容器の表面は引張られるか、または取り除かれます。 これにより microcantilever は光学技術を使用して測定することができるナノメーターで、通常逸れます。 偏向は analyte の集中に比例しています。 概念は癌のようなある特定の病気を選別し、特定の化学薬品および細菌戦争エージェントを検出することで用いられました。

Microcantilever の偏向の検出方法

圧抵抗偏向の検出方法

圧抵抗方法 [6-8] 圧抵抗物質的な近いのの片持梁の表面に発生する圧力の変更を記録するために埋め込むことを片持梁の表面含みます。 microcantilever は逸れると同時に、 piezoresistor に緊張を適用するそれにより電子平均によって測定することができる抵抗の変更を引き起こす圧力の変更により、経ます。 圧抵抗方法の利点は読み出し装置がチップで統合されますことです。 不利な点は圧抵抗読み出し装置のための偏向の解像度が光学検出方法によって 1 のオングストロームと比較されるたった 1 ナノメーターであることです。 方法のもう一つの不利な点は piezoresistor が片持梁で埋め込まれなければならないことです。 合成の構造が付いているそのような片持梁の製造はより複雑です。

ビームの piezoresistor 材料は最大感度のために可能ように片持梁の 1 つの表面に同様に近く集中しなければなりません。 圧抵抗材料の製造のための使用を添加の種類は重要な要因です。 N タイプのケイ素の圧抵抗係数は P タイプのためのそれより大きいです。 緊張がそれに適用される場合のの抵抗圧抵抗重大な変更。 応用緊張の機能として抵抗の相対的な変更は次のように書くことができます:

K が物質的なパラメータであるゲージ要因を表示するところ。 添字 l および t はゲージ要因の縦方向および横の部分を示します。

piezoresistor の感度は厚さ t および湾曲の半径に比例して変わります。 ゲージ要因はヤングの係数、材料の本質的な特性の E に比例しています。 ゲージ要因はまた片持梁をこし、抵抗の変更を測定することによってことができます直接計算する。

δがある一方、材料および R の緊張は抵抗です。 敏感な装置のために、ゲージ要因は 100 の等級であるべきです。

圧抵抗片持梁ビームは図 2. に示すようにホイートストン・ブリッジ回路のアームとして使用することができます。

図 2。 圧抵抗 microcantilever に使用するホイートストン・ブリッジ回路。

上記の図の可変抵抗アームの抵抗は () 共通の分圧回路の方式の使用によって定めることができ、次として示されています:

片持梁が偏向に服従する時はいつでも抵抗の変更があります。

光学偏向の検出方法

光学方法 [8]、図 3 に示すように、 microcantilever および位置の敏感な探知器の表面で塗られる生体物質に影響を与えない順序の非常に低い電力のレーザ光線を用います (PSD)。 レーザ光線は片持梁で落ち、片持梁の表面で塗られる金の層として反映されてほとんど与えますそれに終わりのようなミラーを得ます。 反映されたビームは PSD で落ちます。 片持梁はすなわち undeflected とき PSD の特定の点であらゆる分子が、レーザ光線落ちます塗られません。 片持梁が逸れると同時に、それから、適切な電子工学を使用して計算されるビームの位置は変更します。 この検出システムの利点は副ナノメーターの範囲の偏向を検出することができることです。 しかしこの方法にまた自身の不利な点があります。 液体のセル環境の集中されたレーザ光線の存在は無関係の読書をもたらす追加熱管理に関する問題で起因できます。 2 番目に、アラインメントシステムは高く、最終的に全体の診断キットの費用を上げることができる大きい精密を含みます。 さらに、それはまたキットの可搬性を減らします。

microcantilever の偏向を検出するための光学検出システムの図 3. 設計図。 逸らされた microcantilever からの反映されたレーザー光線は PSD の別の位置で落ちます。 PSD のレーザ光線の 2 つの位置間の間隔によって、 microcantilever の偏向は断固としたです。

容量性偏向の検出方法

片持梁偏向が analyte の吸着が原因で起こるとき容量性方法 [9]、平らなコンデンサーのキャパシタンス変更される主義に基づいています。 ここに microcantilever は 2 つのコンデンサーの版の 1 つです。 この偏向の技術は機密性が高く、絶対変位を提供します。 しかしこの技術は大きい変位を測定するために適していません。 さらに、それは容量性版間の誘導電流の流れによる電解物の解決ではたらきません。 従って、それは感知アプリケーションで限定されます。

インターフェロメトリーの偏向の検出方法

この光学検出方法 [10,11] 片持梁による反映されるレーザ光線が付いている参照のレーザ光線の干渉に基づいています。 光ファイバの裂かれた終わりは片持梁表面の近くで持って来られます。 ライトの 1 部はファイバーと周囲媒体間のインターフェイスに反映され、他の部分はファイバーに再び片持梁に反映されます。 これら二つのビームはファイバーの中で干渉し、干渉のシグナルはフォトダイオードによって測定することができます。 インターフェロメトリーは変位の直接および絶対測定を提供する機密性が高い方法です。 この方法では十分な反射光を得るために、ライトは片持梁表面の近くで持って来られなければなりません。 少数のミクロンは microcantilever の自由な端から光ファイバ 0.01 Å の範囲の偏向を測定できます。 ただし、ファイバーの位置は難題です。 方法作業はよく小さい変位のためにしかしバイオセンサーのアプリケーションの限定使用の液体でより少なく敏感それ故に、であり。

光学回折格子の偏向の検出方法

interdigitated 片持梁からの反映されたレーザー光線は強度が片持梁偏向 [12] に比例している回折パターンを形作ります。 これは原子力の顕微鏡検査、赤外線検出、および化学感知に使用することができます。

電荷結合素子の (CCD)検出方法

analyte に応じての片持梁の偏向を測定するための CCD のカメラは金および協力者 [13] によって使用されました。 ここの位置の敏感な探知器は片持梁から逸れるレーザ光線を記録する CCD のカメラです。

片持梁の機械特性

片持梁の基本的な機械パラメータは一定したばねおよび共鳴頻度です。

ばね一定した k は片持梁、 Z. の応用力、 F および生じる曲がること間の比例要因です。 この関係は Hooke の法律と呼出されます。

F = - kz

ばねの定数は片持梁の剛さをもたらします。 長さ l の長方形の片持梁のために、ばねの定数はように書くことができます

E がある一方、ヤングの係数および I は慣性モーメントです。 圧力の敏感な片持梁のために一定した典型的なばねは 1 mN/m から 1 N/m. の範囲にあります。

簡単な長方形の片持梁res のための共鳴頻度 f はように表現することができます

ρが多くの密度である一方、 h および w はそれぞれ片持梁の高さそして幅を表示します。 長方形の片持梁のための慣性モーメントはように書くことができます

共鳴頻度のための単純式はばねの定数の機能としてように書くことができます

集中しなさいところ、 m=ρ.h.l.w。 関係は共鳴頻度が一定した増加するばねの機能としてそして減少した片持梁大容量の増加することを示します。

microcantilevers の使用は世界的に理解されましたが、生物力学 [14] および microcantilever の偏向の根本的なメカニズムはまだ十分に確立されません。

片持梁ビームの曲がる動作

等方性材料で (圧縮圧力の場合には) または減少 (抗張圧力の場合には) 表面積増加します機能する均一表面の圧力は図 4. に示すように。 この圧力が薄い版またはビームの反対側で償われなければ、全構造は曲がります。 圧縮圧力および抗張圧力の領域間、変形しない中立平面があります。 曲がることが原因で、力 F は曲げモーメント M=F.x の中立平らな結果の x の間隔で機能しています。 従って、湾曲 R の半径は下記によって与えられます:

1/R = dz/dx22 = M/EI

E がある一方、明白なヤングの係数および I は長方形のビームのための次の同等化によって与えられる慣性モーメントです

ビームの 1 つの側面の表面の圧力の変更により静的な曲がることを引き起こし、曲げモーメントは次のように計算することができます:

Δσ = σ1 - σは2 それぞれ片持梁の上部および1 下の側面2 に表面の圧力としてσおよびσとの差動表面の圧力です (図 5)。 最初の同等化の収穫の Stoney の方式 [15] で I および M のこれらの値を挿入すること:

圧縮および抗張圧力に応じて片持梁ビームの図 4. 曲がること。 (a) 生体物質間の拒絶による圧縮表面の圧力は片持梁ビームの下方/否定的な偏向の原因となります。 (b) 分子間の魅力による抗張表面の圧力は片持梁ビームの上向き/肯定的な偏向の原因となります。

図 5. 厚さ t の薄い片持梁ビームの側面の眺めは圧縮圧力に服従しました。 σは1 上面に圧力であり、σは2 片持梁の低い表面に圧力です。 片持梁ビームは湾曲 R. の一定した半径と曲がります。

片持梁の境界条件を考慮に入れること (R」 L) は、上記の同等化解決し、片持梁の変位は次のように書くことができます:

表面の圧力の変更は表面の満たされた分子、また表面の hydrophobicity の変更および吸着された分子の conformational 変更間の吸着プロセスまたは静電気の相互作用の結果である場合もあります。

表面に圧力誘発に曲がることに加えて、 bimaterial 片持梁の体膨張は静的な曲がることで起因できます。 bimaterial 片持梁は 2 つの材料の体膨張係数が異なっていれば気体吸着による曲がることを経ます。

Microcantilever センサー

Biosensing アプリケーションは、安く analytes を検出するための機密性が高い方法高スループットスクリーニングのための機能と共に使いやすい速く要求し。 これらのポイントはすべて従って biosensing アプリケーションのための理想的な候補者である micromachined 片持梁センサーによって達成することができます。 microcantilever によって基づくセンサーのさまざまなアプリケーションは図 6. で要約されます。

microcantilever ベースのセンサーの図 6. アプリケーション。

Microcantilever はセンサー [16] です新しい物理の、化学および生物的センサーの開発のための非常に有望な未来を提供する最も簡単な MEMS 装置基づかせていました。 それらは現在用いられる最先端の技術より低い検出限界の最新および最先端の analyte の検出システムずっとです。 analytes の吸着された大容量により microcantilever の nanomechanical 曲がることを引き起こします。 analyte の分子の結合による microcantilever の表面の大容量の変更は microcantilever の偏向に正比例しています。 従って、 analytes の質的で、また量的な検出は行うことができます。

商業片持梁で使用される材料

商業片持梁はケイ素、窒化珪素、またはケイ素酸化物から普通成り、いろいろ異なった形、次元および力の感度で使用できます。 最近の進展はアレイの形で情報処理機能をもった非常に小さい片持梁を作り出すために最新の集積回路 ( (CMOS)IC) および相補型金属酸化膜半導体の技術を結合します。

片持梁は無接触モードで使用します

最近の年は表面が付いている接触にもはや持って来られないという片持梁の使用中の第 2 発展のステップを目撃しました。 それらは全く新しいタイプのバイメタルの効果、表面の圧力、または調和的な発振器のような物理学の原理に基づいて小型化されたトランスデューサーを提供するセンサーシステムで今使用されます。

Microcantilever ベースのセンサーの利点

Microcantilever は気体、真空および液体媒体でセンサーを持っていますさまざまな analytes の検出のための巨大な潜在性を基づかせていました。 それらは少数のステップの高い特定性、高い感度、簡易性、低価格、低い analyte の条件 (µl で)、非危険なプロシージャ、速い応答および低い電力の条件のためにかなりの興味を覚醒させました。 トレースレベルの物質は高性能の液体クロマトグラフィー、薄層のクロマトグラフィー、ガス・クロマトグラフィー、 (HPLC)ガス液体クロマトグラフィー (TLC)等のようなさまざまな (GC)技術によって現在 (GLC)検出されます。 ただし、これらの技術は複雑、時間のかかり、高価で、扱いにくい器械使用を必要とします。 またサンプル準備は延長された複雑なプロシージャで、巧みな人員を必要とします。 しかし microcantilever ベースのセンサーは物質の微量を部分每十億に部分每兆に (ppb)検出 (ppt)。 彼らは microcantilever [17] の nanomechanical 曲がることに biomolecular 認識を変換します。 microcantilever に analyte の分子の吸着から起こる分子間力は microcantilever の nanomechanical 曲がることに終って表面の圧力を、直接誘導します。

物理学および化学の Microcantilevers のアプリケーションの感知

片持梁ベースのセンサーに物理学および化学で広範なアプリケーションがあります。 それらが音波の速度、水圧および流動度を測定するのに使用し選択式に音響の振動を取るために調整することができます。 Biotoxins は ppt のレベルの感度と特定の biotoxin のために特定の monoclonal 抗体と片持梁の 1 つの側面に塗ることによって検出できます。 小さい大気圧力変更の効果は振動の片持梁の共鳴で感じることができます。 紫外放射への露出の効果は適切な重合体のコーティングの選択によって感じることができます。 1 つの側面の金が塗られる窒化珪素の片持梁が pH 変更にかなり敏感であることが観察されました。 これに基づいて、片持梁基づいたセンサーは pH 変更を検出するために作ることができます。 またそれらが水の水銀蒸気、湿気、天燃ガス、ガスの混合物、トルエンおよび鉛を検出するのに使用されていました。

マイクロおよび Nanocantilevers に基づくタイプのセンサー

湿気センサー

環境の湿気は microcantilever の 1 つの側面がゼラチン [18] が塗られれば測定することができます。 ゼラチンはそれにより片持梁の曲がることを引き起こす大気によりで、現在の水蒸気に結合します。 リン酸のような吸湿性材料 (ORNL)が塗られる片持梁が picogram の大容量解像度 [19] の水蒸気を検出するためにセンサーとして使用することができることをオーク・リッジの国立研究所の研究者、米国は示しました。 水蒸気が片持梁の上塗を施してある表面で吸着されるとき、 microcantilevers および片持梁偏向の共鳴頻度に変更があります。 microcantilevers の感度は analyte のために高い親和性を持っている材料と表面に塗ることによって高めることができます。

除草剤センサー

ロバート Raiteri および協力者 [20] によって Microcantilevers が液体の環境の除草剤の集中を検出するのに使用されていました。 除草剤の 2,4 dichlorophenoxyacetic 酸 (2,4-D) は片持梁の上面で上塗を施してありました。 2,4-D に対する monoclonal 抗体は片持梁にそれから提供されました。 monoclonal 抗体と除草剤間の特定の相互作用により片持梁の曲がることを引き起こしました。 多くの研究は水様媒体の ng/l の集中で現在の有機塩素および有機リン酸の殺虫剤および除草剤の検出のための抗体によって塗られる片持梁 immunobiosensors を開発する筈だ。 Alvarez および協力者は殺虫剤の dichloro dipheny trichloroethane [21] の検出のための microcantilevers の (DDT)使用を示しました。

金属イオンセンサー

Microcantilever センサーはフロー・セル [22]-942- 10M CRO の集中を検出するために用いられました。 この装置では、金上塗を施してある microcantilever の表面のトリエチル12 mercaptododecyl アンモニウムの臭化物の自己組み立てられた層は使用されました。 Microcantilevers はいくつかの気体 analytes の化学検出に使用できます。 microcantilevers を用いる多重エレメントセンサーのアレイ装置はさまざまなイオンを同時に検出するために作ることができます。

温度センサ/熱センサー

温度および熱の変更はバイメタルの効果によって異なった熱拡張係数の材料で構成される片持梁を曲げます。 Microcantilever はセンサーを 10 K 小さい温度の変更を測定、-5 写真の上昇温暖気流の測定に使用することができます基づかせていました。 microcalorimeters としてそれらが触媒作用の化学反応の熱の改革を調査するのに使用することができ、エンタルピーはフェーズ遷移で変更します。 バイメタルの microcantilevers は 150 fJ および副ミリ秒の時間解像度の感度と photothermal 分光学 [23] 行うことができます。 それらは attojoule の感度の熱の変更を検出してもいいです。

粘着性センサー

中型の粘弾性の変更は片持梁共鳴頻度を移します。 片持梁、また追加された大容量を囲む非常に粘性媒体は基本的な共鳴頻度を下げる片持梁振動を弱めます。 従って片持梁は圧電気のアクチュエーターによって共鳴するためにように粘着性のメートル [24] 振動し、使用することができます。

熱量測定センサー

これらのセンサーでは、温度変化だけ測定されるべきです [25,26]。 化学反応のほとんどは熱の変更と関連付けられます。 従って、熱量測定は混合物の広い範囲を識別する途方もない潜在性を持っています。 ブドウ糖酸化酵素のような酵素は解決のブドウ糖ととりわけ反応する microcantilever の表面で固定し、塗ることができま認識可能な熱量測定シグナルを作り出します。 片持梁の小さい熱大容量そして感度、熱量測定センサーが原因で片持梁を用いることは温度変化を検出するためのセンサーの次世代です。

磁気ビードを検出するセンサー

Baselt および協力者 [27] 力のトランスデューサーとして受容器上塗を施してある磁気ビードの存在を検出するのに microcantilevers を使用する可能性を説明しました。 外部磁界を加えることおよび microcantilever の偏向を測定することによって functionalized 片持梁表面にスタックする単一の µm のサイズの磁気ビードの存在を検出することは可能です。 非常に敏感なセンサーは磁気ビードが付いている analyte の分類によって作ることができます。

片持梁基づいたテレメトリーセンサー

片持梁基づいたテレメトリーセンサー [28] 中央コレクション端末に適切なデータを中継で送るために fieldable 装置を配置します。 それらは人員が身に着けているか、または運んだ機動部隊の使用を可能にし、あるアプリケーションのワイヤーで縛られたセンサーを取り替えます。 ORNL の研究者は組み込みの電子処理およびテレメトリーの microfabricated チップを構築しています。 彼らはまた方法に異なった種類を検出するために取り組んでいます。

ミサイルの記憶および維持の必要性を監視する Microsensors

遠隔無線モニタリングの機能の小型化された microcantilever によって基づくセンサーは備畜品の状態 [29] に洞察力を得るために用いられました。 この技術は窒素化合物を含む推進体の劣化の他の表示器の湿気のような環境パラメータに、温度、圧力、衝撃および腐食、また番号基づいて弾薬寿命を評価します。 電子工学およびテレメトリーの単一チップ探知器はアレイとして数百の片持梁によって同時に監視し、識別し、そして量を示します多くの重要なパラメータを開発できます。 腐食センサーは厳しい環境に穏健派の生命を限定しました。 システムは環境条件のよりよい知識のための環境データを集める造りでなければなりません。 特定の検出のための感光性を与えるコーティングとして使用のためのゼオライト [30] のような材料を開発する必要性があります。 ゼオライトは熱的に分子篩、触媒、イオン交換体および化学吸収物として商業的に使用される安定した aluminosilicate フレームワーク構造です。 それらは優秀な選択率および選択的な熱脱着の特性を示します。

遠隔赤外放射の検出センサー

遠隔 (IR)赤外放射の検出センサーは Oden および協力者 [31] によって発達しました。 センサーは熱吸収の層が塗られる圧抵抗片持梁より構成されています。 圧抵抗 microcantilevers は非冷却 IR の検出の技術の重要な開発を表します。 片持梁はコーティングと基板間の差動圧力による曲がることを経ます。 片持梁曲がる原因吸収される熱の量に比例している piezoresistance の変更。 温度の変化は片持梁の曲がることに終ってバイメタルの効果を引き起こす別の材料と片持梁に塗ることによって検出することができます。 従って、化学反応の熱量測定検出はすることができます。 金黒い IR 引きつけられる材料として役立ちます。 Al、鉛および Zn のような高い熱拡張の bimaterial コーティングが microcantilever の熱的に誘導された曲がることを高めるのに使用できます。 二次元の片持梁アレイは IR イメージ投射に簡単で、機密性が高く速い返答であるので使用することができます。

爆薬の探知装置

犬が驚かせる臭いがする力を持っていることが、彼らが爆薬の検出で広く用いられる理由信じられます。 犬は集中で部分每十億に現在の低く容易に蒸発させた有機性化学薬品をくんくんかぐことによって爆薬を検出できます。 多くのグループは臭いがする力を持っている ` 鼻チップ」装置犬の鼻とよく似ているようにすることのつもりで実行中の研究を行なっています。 この ` 鼻チップでは」装置 [32,33]、片持梁特定の有機化合物を取るためにそれぞれが別様に塗られる microcantilever のアレイ使用できます。 それは靴、歩く杖、財布等のような私達の日常使用項目で被告人に探査業務について知らせないで爆薬を検出するために組み込むことができます。 装置は機密保護の視点からの大きい達成で、大きい事故を防ぎます。

プラチナか遷移金属が塗られる microcantilever はトリニトロトルエン (TNT) と 570°C に熱され、 0.1 第 2 のためのその温度で保持されれば反応できます。 片持梁コーティングとの TNT の反作用によりミニ爆発を引き起こします。 Thundat および彼のグループ [34] この技術に基づいて空港荷物の爆薬および地雷を検出するためにマッチ箱サイズの装置を発達させています。

病気の診断のフィールドの Microcantilevers のアプリケーションの感知

マイクロチップを検出している蟹座

Arun Majumdar および協力者 [3] 癌の診断のための microcantilever によって基づく敏感な試金を示しました。 彼らは前立腺の特定の抗原に特定の抗体と microcantilever の表面 (PSA)前立腺癌を経験している患者の血で見つけられた前立腺癌のマーカーに塗りました。 PSA 上塗を施してある microcantilever が忍耐強いのの血液サンプルと相互に作用していたときに前立腺癌を経験します、抗原抗体の複合体は抗原の分子の吸着された大容量が片持梁曲がった原因で形作られ。 片持梁のナノメーターの曲がることは光検出機構を使用して副ナノメーターの精密の低い電力のレーザ光線によって光学的に検出されました。 この microcantilever によって基づいた試金は抗原のレベルを低く検出できるように臨床的に関連したしきい値値より PSA の検出のための慣習的で生化学的な技術より敏感でした。 技術はあり、可能性としてはより ELISA よい。 さらに、試金ごとの費用は蛍光札か radiolabel を接続する必要性が分子ないのでより少しです。 圧電気の nanomechanical microcantilever の共振周波数シフトに基づく PSA の検出はリーおよび協力者 [35] によってまた示されました。

ミオグロビンの検出センサー

sulfosuccinimidyl 6 の [3 (2-pyridyldithio) - propionamido] hexanoate (sulfo LCSPDP) の交差リンカによって上面で塗られる反ミオグロビンの monoclonal 抗体との Raiteri そして彼のグループの [4] 用いられた microcantilevers。 人間の血清が提供された時、それにより microcantilever の偏向を引き起こす反ミオグロビンによりに、区切られるミオグロビン。 健全な人間の血清の生理学的な集中であるミオグロビンの 85 ng/ml は容易に検出されました。

ブドウ糖のバイオセンサー

Pei および協力者 [36] microcantilever の表面にブドウ糖酸化酵素の固定によって生物学的に関連したブドウ糖の集中の micromechanical 検出のための技術を報告しました。 酵素functionalized の microcantilever は解決のブドウ糖が付いている片持梁表面で固定するブドウ糖酸化酵素の反作用によって誘導される表面の圧力の変更による曲がることを経ます。 実験はフロー条件の下で運ばれ、ブドウ糖の検出のための共通の干渉が血ブドウ糖の測定に対する効果をもたらさなかったことが示されました。

冠状心臓病のためのバイオセンサー

臨床生化学的なセンサーのアプリケーションは biosensing microcantilevers をか用いる表面の圧力の測定によって低密度脂蛋白質の (LDL)吸着ヘパリンの酸化させた形式 (oxLDL) を区別されたところで、 [37] 示され。 これら二つの種を区別する機能は興味血しょうからの通風管が主に時間の大動脈のコレステロールの蓄積に責任がある信じられ、冠状心臓病の第一段階と関連付けられる酸化させた形式を支持したのでです。 バッファ環境でも方法が固体表面の吸着によって (IgG)誘導された 2 つの血しょう蛋白質、免疫グロブリン G およびアルブミン (BSA) の conformational 変更を検出するのに使用されました。 この現象は固体表面を含む生物医学的なアプリケーションの重大な重要性をもちますがずっと慣習的な吸着技術と測定しにくいです。

単一ヌクレオチドの多形を検出する片持梁基づいたセンサー

知られていた遺伝子 (SNPs)シーケンスおよびゲノム内の単一のヌクレオチドの多形はゲノミクスの研究の主な関心事です。 点突然変異によりサラセミア、 Tay Sachs、アルツハイマー病等のような複数の病気を引き起こします。 従って、単一のヌクレオチドの多形を検出するための努力はこれらの病気の早い診断を援助し、そのような無秩序を持っている患者の処置で助けます。 そのような単一の基礎ペアの不適当な組み合わせを検出する有効な、信頼できる方法はプローブ DNA シーケンスとターゲット DNA シーケンス間の特定の biomolecular 認識の相互作用に非常に敏感の microcantilevers の使用によって行います。 それらは femtogram の範囲に pico- の集中を検出してもいいです。 特定ターゲット DNA シーケンスのために特定の Thiolated DNA のプローブは金上塗を施してある microcantilever で固定します。 十分に無料ターゲット DNA シーケンスの交配により片持梁の純肯定的な偏向を引き起こします。 純肯定的な偏向は dsDNA の configurational エントロピーの減少の結果対片持梁の金の側面の圧縮力の減少を引き起こす ssDNA です。 1-2 のベースペアを持っているターゲット DNA が付いているプローブ DNA の交配は microcantilever の金上塗を施してある表面で出る高められた冷淡な力による片持梁の純否定的な偏向の結果の組合わせを誤まります。 偏向は 1 基礎ペアの不適当な組み合わせを持っているターゲット DNA より 2 基礎ペアの不適当な組み合わせを持っているターゲット DNA のために大きいです。 拒絶のある程度は基礎ペアの不適当な組み合わせの番号が増加すると同時に増加します [38]。 McKendry [39] nanomechanical 片持梁アレイの多重ラベルなしの biodetection そして量的な DNA 結合の試金を示しました。

これらの DNA によって基づいた microcantilever の偏向の試金は SNPs を目標とするためにとりわけ作られた薬剤を開発する pharmacogenomics のフィールドへ利益です。 これらの試金は 30 分以下の速い応答時間を過し、 SNPs を検出するのに現在使用される他の技術より大いに安いです。 それは簡単なプロシージャであり、出力はすなわち片持梁偏向簡単 +/- シグナルです。 南しみが付くことのような現在の交配の検出の技術は microcantilever ベースの技術が生理学的なバッファおよび室温だけ (25°C) 必要とする間、非常に厳しい反作用の状態を必要とします nanomechanics への biomolecular 認識の変形についての細部は屈服します [40]。 南交配は非常に退屈で、高価で、危険な時間のかかるプロシージャです。 一方では、 microcantilevers は存在だけ不適当な組み合わせの位置が見つけることができるので医学診断のための大きい約束を保持します。

Biochips

biochips [41,42] の最近の前進は microfabricated 片持梁の曲がることに基づくセンサーに前に使用された検出方法上の潜在的な利点があることを示しました。 機械検出システムが付いている Biochips は感知要素として microcantilever の bimaterial (例えば Au Si) ビームを使用します。 Au の側面は通常ある特定の受容器が塗られます。 受容器を搭載する analyte (蛋白質または生物学的因子のような例えば生物的分子、) の結合に、受容器の表面は引張られるか、または取り除かれます。 これにより microcantilever は逸れます、偏向は analyte の集中に比例する見つけられました。 biomolecular (受容器/analyte) アプリケーションの結合の例は次のとおりです: 補足シーケンス [42] 持っている DNA の繊維 (受容器/analyte) のペアの抗体抗原の結合か DNA の交配。 感知要素として microcantilevers を持っている Biochips は操作のために外部力、分類、外部電子工学または蛍光分子またはシグナルの transduction 必要としません。 これらのタイプの biochips は癌のようなある特定の病気を選別し、ボツリヌス菌の毒素、炭疽およびアフラトキシンのような特定の化学薬品および細菌戦争エージェントを検出することで使用することができます。 micromechanical 片持梁アレイに基づく化学センサーは Battison および協力者 [37] によって示されました。

Nanocantilevers: センサーの主要な進歩

Nanocantilevers、厚の 90 nm は長さが DNA 1578 の基礎ペアの単一部分を検出するためにハロルド Craighead のコーネル大学によって導かれる研究者のグループ窒化珪素の作られて、使用され、 [43]。 グループはこれらの nanocantilevers を用いている正確に約 0.23 の attograms (1 つの attogram = 10 グラム) の大容量が付いている-18 分子を定めてもいいことを主張しました。 研究者は硫化修正された二重残された DNA のための捕獲のエージェントとして機能した片持梁のまさに端に nanoscale の金の点を置きました。 自由な硫化グループを持っている生体物質を捕獲するのにしかし原則的には、金の nanodots が使用できます。 スキャンのレーザ光線が片持梁の振動の頻度を測定するのに使用されました。 研究者は nanocantilevers に基づく nanodevices がそれにより特定の遺伝子のシーケンスおよび突然変異のために選別するのに使用された方法を簡素化する定義された DNA シーケンスの検出の PCR の拡大のための必要性を、除去することを信じます。

同様に、 N. ネルソンFitzpatrick 。 [44] アルバータ大学で、カナダはアルミニウムモリブデンの合成物の 10 nm の等級の超薄い共鳴 nanocantilevers を、作りました。 グループは金属材料の NEMS ベースの装置の開発がこうして中間表面の derivatization の必要性を取り除くさまざまな化合物の直接感知のためのアプリケーションの新しい領域を可能にすることを主張します。

パデュー大学の研究者は nanocantilevers の作成にかかわります。 彼らは約 30 nm の厚さのさまざまな長さの nanocantilevers のアレイを用い、ウイルス [45] のための抗体とのそれらを functionalized。 彼らは抗体の密度 w.r.t の変化に関して非常に興味深い結果を nanocantilevers の長さ思い付きました。

結論

Microcantilevers は物理的からおよび生物的病気の診断まで化学薬品及ぶ感じる科学のあらゆるフィールドの潜在的なアプリケーションを持っています。 慣習的なセンサー上のメカニズムの感知として microcantilevers を用いる主要な利点は少数のステップの高い感度、低価格、低い analyte の条件 (µl で)、非危険なプロシージャ (ラベルのための必要性を取り除く)、速い応答および低い電力の条件を含んでいます。 最も重要 microcantilevers のアレイが単一の単一の病気のさまざまな病気の biomarkers のような多数の analytes の診断のためにこうして途方もなく高いスループット分析の機能を持っていることを行く用いることができるという事実はです。 技術は機密性が高いセンサーの次世代に鍵を握ります。 nanocantilevers のための技術の開発によって、センサーは最近までしかずっと研究者のための夢である attogram の感度を達成しました。 感度のなお一層の増加は研究者に分子の番号を数える機能を与えます。

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接触の細部

Sandeep Kumar Vashist 先生

センサーの研究のための各国用の中心
ダブリンの市立大学
Glasnevin、 Dublin9
ダブリンアイルランド

電子メール: sandeep.vashist@dcu.ie

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

Last Update: 15. July 2013 16:10

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