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DOI : 10.2240/azojono0115

Microcantilevers 回顾感觉的应用

Sandeep Kumar Vashist

版权 AZoM.com 有限公司 Pty。

这是在许可证无限制的使用提供原始工作适当地被援引,但是被限制到非商业配电器和再生产的 AZo 桨被分配的一个偶氮开路奖励系统 (AZo 桨) 条款 http://www.azonano.com/oars.asp 条件下

提交: 2007年 5月nd 22日

张贴: 2007年 6月th 18日

包括的事宜

摘要

关键字

简介

质量敏感检测 Microcantilevers

Microcantilever 偏折探知方法

压阻的偏折探知方法

光学偏折探知方法

电容偏折探知方法

干涉测量法偏折探知方法

光学衍射光栅偏折探知方法

负荷耦合器件 (CCD)探知方法

悬臂机械性能

悬梁弯曲的工作情况

Microcantilever 传感器

在商业悬臂用于的材料

悬臂在没有接触的模式使用

基于 Microcantilever 的传感器的好处

在微小和 Nanocantilevers 基础上的传感器的类型

感觉 Microcantilevers 的应用在物理和化学的

湿气传感器

除草药传感器

金属离子传感器

温度传感器/热传感器

黏度传感器

量热传感器

检测磁性小珠的传感器

悬臂式基于测距术传感器

监控导弹存贮和维护需要的 Microsensors

远程红外辐射检测传感器

炸药检测装置

感觉 Microcantilevers 的应用在疾病诊断领域

检测微芯片的巨蟹星座

肌球素检测传感器

冠状心脏病的生理传感器

检测单一核苷酸多形性的悬臂式基于传感器

生物芯片

Nanocantilevers : 在传感器的主要突破

结论

参考

联络详细资料

摘要

微电动机械的系统 (MEMS) [1,2] 进入了仅存在最后十年。 Microcantilevers 是简化的 MEMS 基于设备。 microcantilevers 的不同的应用在传感器的域的由许多研究员测试。 几个组也显示了使用 microcantilevers 的可能性诊断的前列腺癌 [3],心肌梗塞 [4] 和葡萄糖监控 [5]。 科学家追逐做在一个列阵的小型化的生物芯片远见 microcantilevers 基础上,可能在这个临床实验室检测几个同时定期地诊断的疾病。 最近 nanocantilevers 的发展进一步缩减了技术以超与高处理量结合的分析物的敏感检测的功能。

关键字

Microcantilevers,传感器,诊断, MEMS

简介

分子诊断设备变得小与小型化技术的推进。 那里在生理传感器研究上的域增加兴趣对小型化的平台的。 小型化对活体内生理监控、多个特异性传感器列阵、传感器轻便和减到最小的范例数量是重要的。 常规生理传感器需要广泛包装,复杂电子连接和定期维护。 这些缺点可能减少使用集成电子和 micromechanical 结构在筹码的 MEMS 设备。

Microcantilevers 为实际,化工和生物感觉被使用了。 他们也有有宽应用在医学领域,特别地疾病基因点突变的审查,检测,血糖化工和生物战代理人的监控和检测的。 这些传感器有几个好处超过常规分析技术根据高区分、低成本、简单的程序、低分析物需求 (在 µl),无危险的程序和快速回应。 而且,技术在过去几年内被开发了为感觉的应用 nanocantilevers 的,从而提升 nanoelectromechani cal 系统 (NEMS) 的制造和使用对。 此发展增加了区分限额至这个区域研究员能现在形象化计数分子。 对分析物和超敏感检测的高处理量分析的能力,此技术拥有小型化的和高灵敏的传感器的下一代的极大的承诺。

质量敏感检测 Microcantilevers

microcantilever 是可能作为实际的设备,化工或生物传感器通过检测在悬臂弯曲或振动频率更改。 它是调高降低在定期跳板的小型化的副本。 此移动更改,当分析物一个特定质量在其表面特别地被吸附相似与更改时,当人员跨步在跳板上时。 但是 microcantilevers 小于跳板百万次有维数在微米和不同的形状如图 1. 所显示。

图 1. 三角不同类型的 microcantilevers (顶视图) (a) 长方形 (b) 二重有腿的 (c)。

在 microcantilever 原因 microcantilever 的振动频率更改和偏折吸附的分子。 黏度、密度和流速可以通过检测在这个振动频率上的变化评定。

检测分子吸附另一个方式是通过评定悬臂的偏折由于在悬臂的一个端的吸附重点。 根据这个分子的化工接合的本质,偏折可以上上下下是。 有机械检测系统的生物芯片通常使用 microcantilever 双材料 (即澳大利亚 Si) 射线作为传感元件。 澳大利亚端用某一感受器官通常涂。 在分析物 (即生物分子的捆绑,例如蛋白质或生物战剂) 与感受器官,感受器官表面被拉紧或被解除。 这造成 microcantilever 在毫微米偏转,通常,使用光学技术,可以被评定。 偏折与分析物含量是按比例。 这个概念在筛选某些疾病例如癌症和检测被使用了特定化学制品和生物战代理人。

Microcantilever 偏折探知方法

压阻的偏折探知方法

这个压阻的方法 [6-8] 介入埋置一压阻物质最近悬臂的顶面记录发生在悬臂的表面的重点更改。 当 microcantilever 偏转,它进行将适用张力于 piezoresistor 的重点更改,从而导致在可以通过电子平均值评定的阻力上的一个变化。 这个压阻的方法的好处是读出系统可以是集成在这个筹码。 这个缺点是压阻的读出系统的偏折解决方法只是一毫微米比较一埃用光学探知方法。 与这个方法的另一个缺点是 piezoresistor 在悬臂必须被埋置。 生产有一个综合结构的这样一个悬臂是更加复杂的。

必须局限化在这条射线的 piezoresistor 材料一样紧密到悬臂的一表面尽可能为最大区分。 掺杂生产的压阻的材料使用的种类是一个重要因素。 压阻的系数 N 型的硅比那极大 P 型的。 阻力压阻的重大变动,当张力适用于它。 在阻力上的相对变化作为应用的张力的功能可以被写如下:

那里 K 表示量规因数,是一个物质参数。 下标 l 和 t 是指量规因数的纵向和横截部分。

piezoresistor 的区分按比例变化与这个厚度 t 和曲率半径。 量规因数与年轻的模数, E 是按比例,是材料的内在特性。 量规因数可能直接地通过劳损悬臂和评定阻力更改也计算。

那里δ在材料和 R 的张力是阻力。 对一个敏感设备,量规因数应该是等级 100。

如图 2. 所显示,这个压阻的悬梁可以使用作为惠斯登桥电路的胳膊。

图 2。 用于压阻的 microcantilever 的惠斯登桥电路。

可变电阻胳膊的阻力 () 在上述图可以是确定的通过使用公用分压器配方和显示作为如下:

有阻力更改,每当悬臂从属于对偏折。

光学偏折探知方法

光学方法 [8],如图 3 所显示,使用激光非常不影响在 microcantilever 和位置敏感探测器的表面涂上的原生质命令的低功率 (PSD)。 在悬臂的激光秋天和获得反射作为在悬臂的表面涂上的金子层几乎产生它象完成的一个镜子。 这条被反射的射线在 PSD 落。 当悬臂 undeflected 即时它没有用任何分子在 PSD 的一个特殊地点涂,激光将落。 当悬臂偏转,射线的位置更改,使用适当的电子,反过来,被计算。 此检测系统的好处是它能够检测在子毫微米范围的偏折。 但是此方法也有其自己的缺点。 出现一集中的激光在一个液体细胞环境里可能导致提升额外的读数的另外的热量管理问题。 其次,对准线系统是消耗大的并且介入极大的精确度,可能根本地提高整个诊断工具箱的费用。 另外,它也减少工具箱的轻便。

一个光学检测系统的图 3. 概要检测的 microcantilever 偏折。 从偏转的 microcantilever 的被反射的激光落在 PSD 的一个不同的位置。 根据二个位置的距离激光之间在 PSD, microcantilever 的偏折是确定的。

电容偏折探知方法

电容方法 [9] 在的原则基础上,当悬臂式偏折进行由于分析物的吸附时,平面电容器电容更改。 这里 microcantilever 是二个电容器牌照之一。 此偏折技术高灵敏并且提供绝对位移。 但是此技术不适用于评定大位移。 而且,它在电解质解决方法不运作由于在电容牌照之间的感应电流的当前。 所以,它在其感觉的应用被限制。

干涉测量法偏折探知方法

此光学探知方法 [10,11] 在参考的干涉基础上激光与被反射的激光由悬臂。 被劈开的结尾的光纤带来接近悬臂式表面。 光的一部分被反射在纤维和周围的媒体之间的界面,并且另一个部分被反射在悬臂回到纤维。 这两条射线干涉在纤维里面,并且干涉信号可以评定与光电二极管。 干涉测量法是提供位移的一个直接和绝对度量的一个高灵敏的方法。 在此方法,光必须带来接近悬臂式表面获得足够的反射光。 光纤远离 microcantilever 的自由末端的少量微米能评定在 0.01 Å 范围的偏折。 然而,确定纤维是一个难题。 方法工作很好为小的位移,但是较不敏感的在液体并且,在生理传感器应用的限定用途。

光学衍射光栅偏折探知方法

从 interdigitated 悬臂的被反射的激光形成强度与悬臂式偏折的绕射图 [12] 是按比例。 这可以为基本强制显微学,红外检测和化工感觉使用。

负荷耦合器件 (CCD)探知方法

以回应分析物的金和工友使用评定的悬臂的偏折一台 CCD 照相机 [13]。 这里位置敏感探测器是记录从悬臂偏转的激光的 CCD 照相机。

悬臂机械性能

悬臂的基本的机械参数是恒定的弹簧和共鸣频率。

弹簧恒定的 k 是在应用的强制, F 和发生的弯曲的比例因子悬臂, Z. 之间。 此关系称 Hooke 的法律。

F = - kz

弹簧常数产生悬臂的僵硬。 对长度 l 一个长方形悬臂,弹簧常数可以被写

那里 E 年轻的模数和 I 是转动惯量。 一根典型的弹簧恒定为重点敏感悬臂是在 1 个 mN/m 到 1 个 N/m. 范围内。

一个简单的长方形res 悬臂的共鸣频率 f 可以表示

那里ρ是质量密度, h 和 w 表示高度和各自悬臂的宽度。 转动惯量一个长方形悬臂的可以被写

共鸣频率的一个简单表达式可以被写作为弹簧常数功能

那里请集合, m=ρ.h.l.w。 这个关系向显示共鸣频率增加作为恒定增长的弹簧功能和越来越少的悬臂式质量。

使用 microcantilevers 了解全世界,但是生物力学 [14] 和 microcantilever 偏折基础结构不充分地被设立。

悬梁弯曲的工作情况

操作在各向同性的材料的一个统一表面重点增加 (一旦压缩应力) 或减少 (在张应力的情况下) 如图 4. 所显示,表面。 如果此重点没有补偿在反面的薄板也不放光,全部的结构将弯曲。 在压缩应力和张应力之间区,有没有被扭屈的一架中立飞机。 由于弯曲,强制 F 在远处在中立平面结果的 x 操作在弯曲力矩 M=F.x 内。 所以,测量曲率半径 R :

1/R = dz/dx22 = M/EI

那里 E 明显的年轻的模数和 I 是长方形射线的下列等式产生的转动惯量

在表面重点上的变化在这条射线的一个端将导致静态弯曲,并且弯曲力矩可以被计算如下:

Δσ = σ1 - σ2 分别为与σ和σ的有差别的1 表面重点2 作为表面重点在悬臂的上面和更低的端 (图 5)。 插入 I 和 M 的这些值在第一等式产量 Stoney 的配方 [15] :

一个悬梁的图 4. 弯曲以回应压缩和张应力。 (a) 压缩表面重点由于在原生质之间的厌恶导致向下/这个悬梁的负偏折。 (b) 拉伸表面重点由于在分子之间的吸引力导致向上/这个悬梁的正偏折。

图 5. 厚度 t 一个稀薄的悬梁的侧面视图从属于对压缩应力。 σ1 是这个重点在这个上面,并且σ2 是这个重点在悬臂的较低表面。 这个悬梁弯曲与一条恒定的曲率半径 R。

考虑到悬臂的边界条件 (可以解决 R” L),上述等式,并且悬臂的位移可以被写如下:

在表面重点上的变化可以是吸附进程或静电交往的结果被充电的分子在表面以及变化在表面 hydrophobicity 上和被吸附的分子之间的构象的更改。

除表面减轻压力弯曲之外, bimaterial 悬臂体积膨胀可能导致一静态弯曲。 如果二材料的体积膨胀系数是不同的,一个 bimaterial 悬臂经过弯曲由于气体吸附。

Microcantilever 传感器

Biosensing 应用快速地需求,易用,便宜地和检测的分析物高灵敏的方法以及高处理量审查的功能。 所有这些点可以由 micromachined 悬臂式传感器执行,因此是 biosensing 的应用的理想的候选人。 microcantilever 基于传感器的多种应用在表 6. 被总结。

图 6. 基于 microcantilever 的传感器应用。

Microcantilever 根据传感器 [16] 是提供新颖的实际,化工和生物传感器的发展的一个非常有为的远期的最简单的 MEMS 设备。 他们低于当前被使用的最先进的技术是与检测极限的最近和最最先进的分析物检测系统。 分析物的被吸附的质量导致 nanomechanical 弯曲 microcantilever。 在质量上的变化在 microcantilever 表面由于分析物分子的捆绑是正比例的对 microcantilever 的偏折。 因此,分析物的定性以及定量检测可以进行。

在商业悬臂用于的材料

商业悬臂典型地由硅、氮化硅或者氧化硅制成并且是可用的在各种各样不同的形状、维数和强制区分。 新发展结合最新的集成电路 (集成电路) 以列阵的形式,和 (CMOS)互补金属氧化物半导体技术生产智能非常小的悬臂。

悬臂在没有接触的模式使用

最近岁月目击了在使用的第二个演变步骤悬臂,藉以他们不再被带领进入与表面的联络。 他们现在用于提供小型化的变换装置的一种全新的类型传感器系统在物理基础上的根本原则象这个复本位制的作用、表面重点或者泛音振荡器的。

基于 Microcantilever 的传感器的好处

Microcantilever 根据传感器有在多种分析物的检测的极大潜在气体,真空和液体媒体。 由于他们的与少量步骤的高特异性、高区分、简单、低成本、低分析物需求 (在 µl),无危险的程序,快速回应和低功率需求,他们引起了严重的兴趣。 在跟踪级别的物质用象高性能液相色谱、薄层色谱法、 (HPLC)气相色谱, (TLC)气液色谱法 (GC)等的多种技术当前 (GLC)检测。 然而,这些技术是复杂,费时,昂贵的并且要求庞大的手段。 并且范例准备是一个长时期的复杂程序并且要求有经验的人事部。 但是基于 microcantilever 的传感器可能检测痕量物质部件每十亿 (ppb)和部件每兆 (ppt)。 他们翻译生物化子的识别成 nanomechanical 弯曲 microcantilever [17]。 出现从分析物分子的吸附的分子间作用力在 microcantilever 上的导致表面重点,直接地造成 nanomechanical 弯曲 microcantilever。

感觉 Microcantilevers 的应用在物理和化学的

基于悬臂式的传感器有广泛的应用在物理和化学。 他们用于评定声波速度、液髅压力和流速,并且可以调整选择性地拾起音响振动。 生体毒素能检测与在 ppt 级别的区分通过涂悬臂的一个端用单克抗体特定为特殊生体毒素。 小的大气压更改的作用在振动的悬臂的共鸣能感觉。 暴露的作用对紫外线辐射的能通过选择适当的聚合物涂层感觉。 注意到用在一个端的金子涂的氮化硅悬臂对酸度值变化是相当敏感的。 基于此,悬臂式基于传感器可以做检测酸度值变化。 他们也用于检测水银蒸气、湿气、天然气、混合气体、甲苯和线索在水中。

在微小和 Nanocantilevers 基础上的传感器的类型

湿气传感器

湿气在这个环境里可以被评定,如果 microcantilever 的一个端用明胶 [18] 涂。 明胶束缚对水蒸气当前在气氛,从而导致弯曲悬臂。 橡树岭国家实验室的研究员 (ORNL),美国向显示用吸湿材料涂的悬臂例如磷酸可以使用作为传感器为检测与 picogram 质量解决方法 [19 的] 水蒸汽。 当水蒸气在悬臂的上漆的表面时被吸附,有在 microcantilevers 和悬臂式偏折上共鸣频率的变化。 microcantilevers 区分可以被涂其表面增加用有的材料高亲合力为分析物。

除草药传感器

罗伯特在这个液体环境里用于 Microcantilevers 检测除草药的浓度 Raiteri 和工友 [20]。 除草药 2,4 dichlorophenoxyacetic 酸 (2,4-D) 是上漆的在悬臂的上面。 2,4-D 的单克抗体然后提供了给悬臂。 这个单克抗体和除草药之间的特定交往导致弯曲悬臂。 很多研究开发抗体有机氯和有机磷的杀虫剂和除草药的检测的被涂上的悬臂式 immunobiosensors 当前以在含水媒体的 ng/l 浓度。 Alvarez 和工友展示了使用杀虫剂 dichloro dipheny 三氯乙烷 [21 的] (DDT) 检测的 microcantilevers。

金属离子传感器

Microcantilever 传感器被使用检测 10M 在流-9 细胞42- [22 的] 阴级射线示波器的浓度。 在此设备,使用了三乙基的 12 mercaptododecyl 氨盐基溴化物一块自被汇编的层在馏金的 microcantilever 表面的。 Microcantilevers 能为一定数量的气体分析物的化工检测使用。 使用 microcantilevers 的一个多元素的传感器列阵设备可以做同时检测多种离子。

温度传感器/热传感器

在温度和热上的变化弯曲悬臂组成由用不同的热扩散系数的材料由这个复本位制的作用。 Microcantilever 根据传感器评定在温度上的变化一样小象 10-5 K,并且可以为照片上升暖流评定使用。 他们可以用于作为微热量计学习在催化作用的化学反应的放热,并且焓更改在相变。 复本位制的 microcantilevers 可能执行 photothermal 分光学 [23] 与区分 150 fJ 和子毫秒时间分辨率。 他们可以检测与 attojoule 区分的热更改。

黏度传感器

在媒体黏弹性上的变化转移悬臂式共鸣频率。 包围悬臂以及一个被添加的质量的一个高度黏媒体将阻止降低其根本共鸣频率的悬臂式动摆。 可能由压电致动器振动共鸣和使用因此悬臂,黏度仪表 [24]。

量热传感器

在这些传感器,仅温度变化将被评定 [25,26]。 大多化学反应与在热上的一个变化相关。 因此,量热有极大的潜在识别各种各样的化合物。 象葡糖氧化酶的酵素在 microcantilever 的表面可以被固定和被涂上,特别地将起反应与在这个解决方法的葡萄糖导致一个可认识的量热法信号。 由于悬臂的微小的热量质量和区分,量热传感器使用悬臂将是传感器的下一代检测的温度变化。

检测磁性小珠的传感器

Baselt 和工友 [27] 解释了使用 microcantilevers 的可能性作为强制变换装置检测感受器官上漆的磁性小珠出现。 检测唯一停留在 functionalized 悬臂式表面上的 µm 范围磁性小珠出现是可能的通过应用外部磁场和评定 microcantilever 的偏折。 一个非常敏感传感器可以通过标记与磁性小珠的分析物做。

悬臂式基于测距术传感器

悬臂式基于测距术传感器 [28] 将部署 fieldable 设备传递相关数据到中央收集岗位。 他们将启用人事部佩带或运载的使用机动分队,并且替换在有些应用的架线的传感器。 ORNL 的研究员制造与固定电子处理和测距术的一个 microfabricated 筹码。 他们也研究方法检测另外种类。

监控导弹存贮和维护需要的 Microsensors

小型化的 microcantilever 基于传感器以远程无线监控功能被使用了解到库存情况 [29]。 此技术将评估在象湿气的环境参数基础上的弹药寿命、温度、压、冲击和发射火箭降低其他指示符的腐蚀以及编号包括氮化物。 与电子和测距术的唯一筹码探测器能开发与数百个悬臂作为列阵监控,同时识别并且定量许多重要参数。 腐蚀传感器限制了在温和派的生活到严重环境。 系统必须是收集环境条件更好的知识的环境数据的编译。 有需要开发象泡沸石 [30 的] 材料为使用作为特定检测的使敏感的涂层。 泡沸石热量地是作为分子筛、催化剂、离子交换器和化工吸收体商业上使用的稳定的 aluminosilicate 结构结构。 他们显示非常好的选择性和有选择性的热量解吸附作用属性。

远程红外辐射检测传感器

一个远程 (IR)红外辐射检测传感器由 Oden 和工友 [31] 发展了。 传感器组成用一块吸热的层涂的一个压阻的悬臂。 压阻的 microcantilevers 在未冷却的红外线检测技术表示重要发展。 悬臂经过弯曲由于在涂层和这个基体之间的有差别的重点。 悬臂弯曲的原因在 piezoresistance 上的一个变化,与被吸收的相当数量是按比例热。 温度差异可以通过涂悬臂检测用不同的材料,导致这个复本位制的作用造成弯曲悬臂。 因此,化学反应的量热法检测可以完成。 金黑色将担当红外线引人入胜的材料。 高热扩散 bimaterial 涂层例如 Al、铅和锌能用于增加热量地导致的弯曲 microcantilever。 因为他们是简单,高灵敏和快速回应,二维悬臂式列阵可以为红外线想象使用。

炸药检测装置

相信狗有令人惊讶的嗅到的功率,他们在炸药的检测广泛雇用的原因。 狗能通过嗅容易地被汽化的有机化学制品检测炸药当前以浓度一样低象部件每十亿。 许多组开展有效的研究打算使有 ` 鼻子在筹码’的设备嗅到的功率完全相似对巨鼻。 在此 ` 鼻子在筹码’设备 [32,33], microcantilever 列阵可能悬臂式中的每一个将不同地被涂上拾起一个特定有机化合物。 它在我们的象鞋子、走的藤茎,钱包等的日常使用项目可以合并检测炸药,无需告诉故障原因搜索操作。 设备是一个巨大成绩从证券观点,并且防止大事故。

用白金或过渡金属涂的 microcantilever 可能起反应与黄色炸药 (TNT),如果它被加热对 570°C 并且被暂挂在 0.1 秒的该温度。 TNT 的回应与悬臂式涂层的将导致迷你展开。 Thundat 和他的组 [34] 发展一个火柴盒大小设备检测在机场皮箱的在此技术基础上的炸药和地雷。

感觉 Microcantilevers 的应用在疾病诊断领域

检测微芯片的巨蟹星座

Arun Majumdar 和工友 [3] 展示了 microcantilever 癌症诊断的基于敏感检验。 他们用抗体涂 microcantilever 的表面特定对前列腺特定抗原 (PSA),在有的患者血液找到的前列腺癌标记前列腺癌。 当 PSA 上漆的 microcantilever 与血样耐心配合有前列腺癌,抗原抗体复杂被形成了和悬臂式弯由于抗原分子的被吸附的质量。 低功率光学上检测毫微米弯曲悬臂激光与子毫微米精确度使用照片探测器。 此 microcantilever 基于检验比 PSA 的检测的常规生物化学的技术敏感,它比临床相关阈值可能检测抗原级别更低。 这个技术比 ELISA 一样是象和可能地好。 而且,尽管没有需要附有萤光标签或 radiolabel 分子,费用每个检验是较少。 在压电 nanomechanical microcantilever 基础上谐振频率班次的 PSA 的检测也是由李和工友 [35] 展示了的。

肌球素检测传感器

Raiteri 和他的组 [4] 被使用的 microcantilevers 与在上面涂上的反肌球素单克抗体由 sulfosuccinimidyl 6 [3 (2-pyridyldithio) - propionamido] 已酸盐 (sulfo LCSPDP) 交联剂。 当提供了人力血清,肌球素一定对反肌球素,从而导致 microcantilever 的偏折。 容易地检测了肌球素 85 个 ng/ml,是在健康人力血清的生理浓度。

葡萄糖生理传感器

Pei 和工友 [36] 由葡糖氧化酶的钳制在 microcantilever 表面上的报告了生物相关葡萄糖含量的 micromechanical 检测的一个技术。 酵素functionalized microcantilever 经过弯曲由于在表面减轻压力上的一个变化由在悬臂式表面固定的葡糖氧化酶的回应用在解决方法的葡萄糖。 实验在流动条件下运载了,并且被展示葡萄糖检测的公用干涉没有对血糖的评定的作用。

冠状心脏病的生理传感器

存在了一种临床生物化学的传感器应用 [37],其中低密度脂蛋白的吸附 (LDL),并且他们的被氧化的表单 (oxLDL) 在肝素通过评定使用 biosensing 的 microcantilevers 的表面重点区分。 这个能力区分这两个种类是利益,因为他们的从等离子的增加首席支持被氧化的表单,认为负责对胆固醇累计在主动脉的及时和与冠状心脏病相关第一阶段。 这个方法在缓冲环境也用于检测在二等离子蛋白质、 (IgG)免疫球蛋白 G 和白蛋白 (BSA) 上的构象的变化,导致被他们的在固定的表面的吸附。 此现象是在介入固定的表面的生物医学的应用的关键的重要,但是难评定与常规吸附技术。

检测单一核苷酸多形性的悬臂式基于传感器

在已知的 (SNPs)基因顺序和这条染色体内的唯一核苷酸多形性是染色体组的研究的主要关心。 基因点突变导致几个疾病例如地中海贫血、 Tay Sachs,老年痴呆症等。 所以,工作成绩检测唯一核苷酸多形性在这些疾病早期诊断在有的患者的处理将帮助,并且帮助这样紊乱。 检测这样唯一基本对配错一个有效和可靠的方式是通过使用对探测脱氧核糖核酸顺序和目标脱氧核糖核酸顺序之间的特定生物化子的识别交往是非常敏感的 microcantilevers。 他们可以检测在 pico- 的浓度到 femtogram 范围。 Thiolated 脱氧核糖核酸探测特定为特殊目标脱氧核糖核酸顺序在馏金的 microcantilever 被固定。 与充分地免费目标脱氧核糖核酸顺序的杂交将导致悬臂的净正偏折。 净正偏折是减少的结果对与构形有关熵的 dsDNA 与 ssDNA,导致压缩力减少在悬臂的金端的。 探测脱氧核糖核酸的杂交与有目标的脱氧核糖核酸的一两个基础对不匹配在悬臂的净负偏折的结果由于在 microcantilever 的馏金的表面施加的增加的排斥力。 偏折为有目标的脱氧核糖核酸比对于有目标的脱氧核糖核酸一基本对配错是极大二基本对配错。 程度厌恶增加,当基本对配错的数量增加 [38]。 McKendry [39] 展示了多个标签自由的 biodetection 和定量脱氧核糖核酸束缚的检验在一个 nanomechanical 悬臂式列阵。

这些脱氧核糖核酸基于 microcantilever 偏折检验是恩赐对 pharmacogenomics 的域,将开发药物特别地做瞄准 SNPs。 这些检验比其他技术有少于 30 分钟的快速响应时间并且便宜当前用于检测 SNPs。 它是一个简单的程序即,并且输出悬臂式偏折是简单的 +/- 信号。 象南部弄脏的当前杂交检测技术要求高度严密回应情况,当这个基于 microcantilever 的技术要求仅生理缓冲和室温时 (25°C) 到 nanomechanics 里提供关于生物化子的识别的转换的细节 [40]。 南部的杂交是非常繁琐,昂贵,危害和费时的程序。 另一方面,因为可以找到, microcantilevers 拥有这个医疗诊断的一个巨大承诺不仅存在,但是配错的地点。

生物芯片

在生物芯片 [41,42 的] 最近预付款向显示在弯曲的传感器 microfabricated 悬臂基础上有潜在的好处超过以前使用的探知方法。 有机械检测系统的生物芯片使用 microcantilever bimaterial (即澳大利亚 Si) 射线作为传感元件。 澳大利亚端用某一感受器官通常涂。 在分析物 (即生物分子的捆绑,例如蛋白质或生物战剂) 与感受器官,感受器官表面被拉紧或被解除。 这造成 microcantilever 偏转,并且发现偏折按比例与分析物含量。 捆绑的示例在生物化子的 (感受器官/分析物) 应用的是: 抗体抗原捆绑或一个对的脱氧核糖核酸杂交有脱氧核糖核酸的子线 (感受器官/分析物) 补充顺序 [42]。 生物芯片有 microcantilevers 作为传感元件不为他们的运算要求外部电力,标记,外部电子或者萤光分子或者信号换能。 生物芯片的这些类型可以用于筛选某些疾病例如癌症和检测特定化学制品和生物战代理人例如肉毒菌的毒素、炭疽病和黄曲霉毒素。 在一个 micromechanical 悬臂式列阵基础上的一个化工传感器是由 Battison 和工友 [37] 展示了的。

Nanocantilevers : 在传感器的主要突破

Nanocantilevers, 90 浓厚毫微米和做氮化硅,由哈罗德导致的组研究员使用了 Craighead,康奈尔大学检测长度脱氧核糖核酸 1578 基本对单件 [43]。 这个组声称可以准确地确定与大约 0.23 attograms (1 attogram 质量的一个分子 = 10 克-18 ) 使用这些 nanocantilevers 的他们。 研究员安置了 nanoscale 金小点在悬臂的末端,作为硫化物被修改的双股的脱氧核糖核酸的获取作用者。 但是原则上,金 nanodots 能用于获取有所有的原生质一个自由硫化物组。 扫描激光束用于评定悬臂的振动频率。 研究员相信在 nanocantilevers 基础上的 nanodevices 将消灭对 PCR 放大作用的需要,从而简化使用的方法的被定义的脱氧核糖核酸顺序的检测的为特定基因顺序和变化筛选。

同样, N. 纳尔逊Fitzpatrick 。 [44] 在阿尔伯塔大学,加拿大做超稀薄的共振 nanocantilevers,等级 10 毫微米,在铝钼综合。 这个组声称基于 NEMS 的设备的发展在金属材料的将启用新的应用领域因而消除半成品表面衍生作用的需要直接感觉的多种化合物。

普渡大学的研究员在 nanocantilevers 的创建介入。 他们使用了一个列阵变化的长度 nanocantilevers 与厚度的大约 30 毫微米并且 functionalized 他们与病毒的 [45] 抗体。 他们产生了非常有趣结果关于在抗体密度 w.r.t 上的变化 nanocantilevers 的长度。

结论

Microcantilevers 在科学范围从实际的感觉每有潜在的应用和的化学制品领域对生物疾病诊断。 使用作为感觉结构的 microcantilevers 的主要好处在常规传感器包括他们的与少量步骤的高区分、低成本、低分析物需求 (在 µl),无危险的程序 (消除对标签的需要),快速回应和低功率需求。 最重要的是这个情况一个列阵 microcantilevers 可以为很大数量的分析物诊断被使用例如一个唯一疾病的多种疾病生物标志在唯一的去因而有极大的高处理量分析功能。 技术把握这个关键对高灵敏的传感器的下一代。 技术的发展 nanocantilevers 的,传感器达到 attogram 区分,近来只是研究员的一个梦想。 在区分的进一步增加将给研究员这个能力计数分子的数量。

参考

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联络详细资料

Sandeep Kumar Vashist 博士

传感器研究国家中心
都伯林市大学
Glasnevin, Dublin9
都伯林爱尔兰

电子邮件: sandeep.vashist@dcu.ie

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

Last Update: 15. July 2013 15:46

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