OARS - Open Access Rewards System
DOI : 10.2240/azojono0115

Microcantilevers 回顧感覺的應用

Sandeep Kumar Vashist

版權 AZoM.com 有限公司 Pty。

這是在許可證無限制的使用提供原始工作適當地被援引,但是被限制到非商業配電器和再生產的 AZo 槳被分配的一個偶氮開路獎勵系統 (AZo 槳) 條款 http://www.azonano.com/oars.asp 條件下

提交: 2007年 5月nd 22日

張貼: 2007年 6月th 18日

包括的事宜

摘要

關鍵字

簡介

質量敏感檢測 Microcantilevers

Microcantilever 偏折探知方法

壓阻的偏折探知方法

光學偏折探知方法

電容偏折探知方法

干涉測量法偏折探知方法

光學衍射光柵偏折探知方法

負荷耦合器件 (CCD)探知方法

懸臂機械性能

懸梁彎曲的工作情況

Microcantilever 傳感器

在商業懸臂用於的材料

懸臂在沒有接觸的模式使用

基於 Microcantilever 的傳感器的好處

在微小和 Nanocantilevers 基礎上的傳感器的類型

感覺 Microcantilevers 的應用在物理和化學的

濕氣傳感器

除草藥傳感器

金屬離子傳感器

溫度傳感器/熱傳感器

黏度傳感器

量熱傳感器

檢測磁性小珠的傳感器

懸臂式基於測距術傳感器

監控導彈存貯和維護需要的 Microsensors

遠程紅外輻射檢測傳感器

炸藥檢測裝置

感覺 Microcantilevers 的應用在疾病診斷領域

檢測微芯片的巨蟹星座

肌球素檢測傳感器

冠狀心臟病的生理傳感器

檢測單一核苷酸多形性的懸臂式基於傳感器

生物芯片

Nanocantilevers : 在傳感器的主要突破

結論

參考

聯絡詳細資料

摘要

微電動機械的系統 (MEMS) [1,2] 進入了仅存在最後十年。 Microcantilevers 是簡化的 MEMS 基於設備。 microcantilevers 的不同的應用在傳感器的域的由許多研究員測試。 幾個組也顯示了使用 microcantilevers 的可能性診斷的前列腺癌 [3],心肌梗塞 [4] 和葡萄糖監控 [5]。 科學家追逐做在一個列陣的小型化的生物芯片遠見 microcantilevers 基礎上,可能在這個臨床實驗室檢測幾個同時定期地診斷的疾病。 最近 nanocantilevers 的發展進一步縮減了技術以超與高處理量結合的分析物的敏感檢測的功能。

關鍵字

Microcantilevers,傳感器,診斷, MEMS

簡介

分子診斷設備變得小與小型化技術的推進。 那裡在生理傳感器研究上的域增加興趣對小型化的平臺的。 小型化對活體內生理監控、多個特異性傳感器列陣、傳感器輕便和減到最小的範例數量是重要的。 常規生理傳感器需要廣泛包裝,複雜電子連接和定期維護。 這些缺點可能減少使用集成電子和 micromechanical 結構在籌碼的 MEMS 設備。

Microcantilevers 為實際,化工和生物感覺被使用了。 他們也有有寬應用在醫學領域,特別地疾病基因點突變的審查,檢測,血糖化工和生物戰代理人的監控和檢測的。 這些傳感器有幾個好處超過常規分析技術根據高區分、低成本、簡單的程序、低分析物需求 (在 µl),無危險的程序和快速回應。 而且,技術在過去幾年內被開發了為感覺的應用 nanocantilevers 的,從而提升 nanoelectromechani cal 系統 (NEMS) 的製造和使用對。 此發展增加了區分限額至這個區域研究員能現在形象化計數分子。 對分析物和超敏感檢測的高處理量分析的能力,此技術擁有小型化的和高靈敏的傳感器的下一代的極大的承諾。

質量敏感檢測 Microcantilevers

microcantilever 是可能作為實際的設備,化工或生物傳感器通過檢測在懸臂彎曲或振動頻率更改。 它是調高降低在定期跳板的小型化的副本。 此移動更改,當分析物一個特定質量在其表面特別地被吸附相似與更改時,當人員跨步在跳板上時。 但是 microcantilevers 小於跳板百萬次有維數在微米和不同的形狀如圖 1. 所顯示。

圖 1. 三角不同類型的 microcantilevers (頂視圖) (a) 長方形 (b) 二重有腿的 (c)。

在 microcantilever 原因 microcantilever 的振動頻率更改和偏折吸附的分子。 黏度、密度和流速可以通過檢測在這個振動頻率上的變化評定。

檢測分子吸附另一個方式是通過評定懸臂的偏折由於在懸臂的一個端的吸附重點。 根據這個分子的化工接合的本質,偏折可以上上下下是。 有機械檢測系統的生物芯片通常使用 microcantilever 雙材料 (即澳大利亞 Si) 射線作為傳感元件。 澳大利亞端用某一感受器官通常塗。 在分析物 (即生物分子的捆綁,例如蛋白質或生物戰劑) 與感受器官,感受器官表面被拉緊或被解除。 這造成 microcantilever 在毫微米偏轉,通常,使用光學技術,可以被評定。 偏折與分析物含量是按比例。 這個概念在篩選某些疾病例如癌症和檢測被使用了特定化學製品和生物戰代理人。

Microcantilever 偏折探知方法

壓阻的偏折探知方法

這個壓阻的方法 [6-8] 介入埋置一壓阻物質最近懸臂的頂面記錄發生在懸臂的表面的重點更改。 當 microcantilever 偏轉,它進行將適用張力於 piezoresistor 的重點更改,從而導致在可以通過電子平均值評定的阻力上的一個變化。 這個壓阻的方法的好處是讀出系統可以是集成在這個籌碼。 這個缺點是壓阻的讀出系統的偏折解決方法只是一毫微米比較一埃用光學探知方法。 與這個方法的另一個缺點是 piezoresistor 在懸臂必須被埋置。 生產有一個綜合結構的這樣一個懸臂是更加複雜的。

必須局限化在這條射線的 piezoresistor 材料一樣緊密到懸臂的一表面儘可能為最大區分。 摻雜生產的壓阻的材料使用的種類是一個重要因素。 壓阻的系數 N 型的硅比那極大 P 型的。 阻力壓阻的重大變動,當張力適用於它。 在阻力上的相對變化作為應用的張力的功能可以被寫如下:

那裡 K 表示量規因數,是一個物質參數。 下標 l 和 t 是指量規因數的縱向和橫截部分。

piezoresistor 的區分按比例變化與這個厚度 t 和麴率半徑。 量規因數與年輕的模數, E 是按比例,是材料的內在特性。 量規因數可能直接地通過勞損懸臂和評定阻力更改也計算。

那裡δ在材料和 R 的張力是阻力。 对一個敏感設備,量規因數應該是等級 100。

如圖 2. 所顯示,這個壓阻的懸梁可以使用作為惠斯登橋電路的胳膊。

圖 2。 用於壓阻的 microcantilever 的惠斯登橋電路。

可變電阻胳膊的阻力 () 在上述圖可以是確定的通過使用公用分壓器配方和顯示作為如下:

有阻力更改,每當懸臂從屬於對偏折。

光學偏折探知方法

光學方法 [8],如圖 3 所顯示,使用激光非常不影響在 microcantilever 和位置敏感探測器的表面塗上的原生質命令的低功率 (PSD)。 在懸臂的激光秋天和獲得反射作為在懸臂的表面塗上的金子層幾乎產生它像完成的一個鏡子。 這條被反射的射線在 PSD 落。 當懸臂 undeflected 即時它沒有用任何分子在 PSD 的一個特殊地點塗,激光將落。 當懸臂偏轉,射線的位置更改,使用適當的電子,反過來,被計算。 此檢測系統的好處是它能够檢測在子毫微米範圍的偏折。 但是此方法也有其自己的缺點。 出現一集中的激光在一個液體細胞環境裡可能導致提升額外的讀數的另外的熱量管理問題。 其次,對準線系統是消耗大的并且介入極大的精確度,可能根本地提高整個診斷工具箱的費用。 另外,它也減少工具箱的輕便。

一個光學檢測系統的圖 3. 概要檢測的 microcantilever 偏折。 從偏轉的 microcantilever 的被反射的激光落在 PSD 的一個不同的位置。 根據二個位置的距離激光之間在 PSD, microcantilever 的偏折是確定的。

電容偏折探知方法

電容方法 [9] 在的原則基礎上,當懸臂式偏折進行由於分析物的吸附時,平面電容器電容更改。 這裡 microcantilever 是二個電容器牌照之一。 此偏折技術高靈敏并且提供绝對位移。 但是此技術不適用於評定大位移。 而且,它在電解質解決方法不運作由於在電容牌照之間的感應電流的當前。 所以,它在其感覺的應用被限制。

干涉測量法偏折探知方法

此光學探知方法 [10,11] 在參考的干涉基礎上激光與被反射的激光由懸臂。 被劈開的結尾的光纖帶來接近懸臂式表面。 光的一部分被反射在纖維和周圍的媒體之間的界面,并且另一個部分被反射在懸臂回到纖維。 這兩條射線干涉在纖維裡面,并且干涉信號可以評定與光電二極管。 干涉測量法是提供位移的一個直接和绝對度量的一個高靈敏的方法。 在此方法,光必須帶來接近懸臂式表面獲得足够的反射光。 光纖遠離 microcantilever 的自由末端的少量微米能評定在 0.01 Å 範圍的偏折。 然而,確定纖維是一個難題。 方法工作很好為小的位移,但是較不敏感的在液體並且,在生理傳感器應用的限定用途。

光學衍射光柵偏折探知方法

從 interdigitated 懸臂的被反射的激光形成強度與懸臂式偏折的繞射圖 [12] 是按比例。 這可以為基本強制顯微學,紅外檢測和化工感覺使用。

負荷耦合器件 (CCD)探知方法

以回應分析物的金和工友使用評定的懸臂的偏折一臺 CCD 照相機 [13]。 這裡位置敏感探測器是記錄從懸臂偏轉的激光的 CCD 照相機。

懸臂機械性能

懸臂的基本的機械參數是恆定的彈簧和共鳴頻率。

彈簧恆定的 k 是在應用的強制, F 和發生的彎曲的比例因子懸臂, Z. 之間。 此關係稱 Hooke 的法律。

F = - kz

彈簧常數產生懸臂的僵硬。 对長度 l 一個長方形懸臂,彈簧常數可以被寫

那裡 E 年輕的模數和 I 是轉動慣量。 一根典型的彈簧恆定為重點敏感懸臂是在 1 个 mN/m 到 1 个 N/m. 範圍內。

一個簡單的長方形res 懸臂的共鳴頻率 f 可以表示

那裡ρ是質量密度, h 和 w 表示高度和各自懸臂的寬度。 轉動慣量一個長方形懸臂的可以被寫

共鳴頻率的一個簡單表達式可以被寫作為彈簧常數功能

那裡请集合, m=ρ.h.l.w。 這個關係向顯示共鳴頻率增加作為恆定增長的彈簧功能和越來越少的懸臂式質量。

使用 microcantilevers 瞭解全世界,但是生物力學 [14] 和 microcantilever 偏折基礎結構不充分地被設立。

懸梁彎曲的工作情況

操作在各向同性的材料的一個統一表面重點增加 (一旦壓縮應力) 或減少 (在張應力的情況下) 如圖 4. 所顯示,表面。 如果此重點沒有補償在反面的薄板也不放光,全部的結構將彎曲。 在壓縮應力和張應力之間區,有沒有被扭屈的一架中立飛機。 由於彎曲,強制 F 在遠處在中立平面結果的 x 操作在彎曲力矩 M=F.x 內。 所以,測量麴率半徑 R :

1/R = dz/dx22 = M/EI

那裡 E 明顯的年輕的模數和 I 是長方形射線的下列等式產生的轉動慣量

在表面重點上的變化在這條射線的一個端將導致靜態彎曲,并且彎曲力矩可以被計算如下:

Δσ = σ1 - σ2 分別為與σ和σ的有差別的1 表面重點2 作為表面重點在懸臂的上面和更低的端 (圖 5)。 插入 I 和 M 的這些值在第一等式產量 Stoney 的配方 [15] :

一個懸梁的圖 4. 彎曲以回應壓縮和張應力。 (a) 壓縮表面重點由於在原生質之間的厭惡導致向下/這個懸梁的負偏折。 (b) 拉伸表面重點由於在分子之間的吸引力導致向上/這個懸梁的正偏折。

圖 5. 厚度 t 一個稀薄的懸梁的側面視圖從屬於對壓縮應力。 σ1 是這個重點在這個上面,并且σ2 是這個重點在懸臂的較低表面。 這個懸梁彎曲與一條恆定的麴率半徑 R。

考慮到懸臂的邊界條件 (可以解決 R」 L),上述等式,并且懸臂的位移可以被寫如下:

在表面重點上的變化可以是吸附進程或靜電交往的結果被充電的分子在表面以及變化在表面 hydrophobicity 上和被吸附的分子之間的構像的更改。

除表面減輕壓力彎曲之外, bimaterial 懸臂體積膨脹可能導致一靜態彎曲。 如果二材料的體積膨脹系數是不同的,一個 bimaterial 懸臂經過彎曲由於氣體吸附。

Microcantilever 傳感器

Biosensing 應用快速地需求,易用,便宜地和檢測的分析物高靈敏的方法以及高處理量審查的功能。 所有這些點可以由 micromachined 懸臂式傳感器執行,因此是 biosensing 的應用的理想的候選人。 microcantilever 基於傳感器的多種應用在表 6. 被總結。

圖 6. 基於 microcantilever 的傳感器應用。

Microcantilever 根據傳感器 [16] 是提供新穎的實際,化工和生物傳感器的發展的一個非常有為的遠期的最簡單的 MEMS 設備。 他們低於當前被使用的最先進的技術是與檢測極限的最近和最最先進的分析物檢測系統。 分析物的被吸附的質量導致 nanomechanical 彎曲 microcantilever。 在質量上的變化在 microcantilever 表面由於分析物分子的捆綁是正比例的對 microcantilever 的偏折。 因此,分析物的定性以及定量檢測可以進行。

在商業懸臂用於的材料

商業懸臂典型地由硅、氮化硅或者氧化硅製成并且是可用的在各種各樣不同的形狀、維數和強制區分。 新發展結合最新的集成電路 (集成電路) 以列陣的形式,和 (CMOS)互補金屬氧化物半導體技術生產智能非常小的懸臂。

懸臂在沒有接觸的模式使用

最近歲月目擊了在使用的第二個演變步驟懸臂,藉以他們不再被帶領進入與表面的聯絡。 他們現在用於提供小型化的變換裝置的一種全新的類型傳感器系統在物理基礎上的根本原則像這個複本位制的作用、表面重點或者泛音振盪器的。

基於 Microcantilever 的傳感器的好處

Microcantilever 根據傳感器有在多種分析物的檢測的極大潛在氣體,真空和液體媒體。 由於他們的與少量步驟的高特異性、高區分、簡單、低成本、低分析物需求 (在 µl),無危險的程序,快速回應和低功率需求,他們引起了嚴重的興趣。 在跟蹤級別的物質用像高性能液相色譜、薄層色譜法、 (HPLC)氣相色譜, (TLC)氣液色譜法 (GC)等的多種技術當前 (GLC)檢測。 然而,這些技術是複雜,費時,昂貴的并且要求龐大的手段。 並且範例準備是一個長時期的複雜程序并且要求有經驗的人事部。 但是基於 microcantilever 的傳感器可能檢測痕量物質部件每十億 (ppb)和部件每兆 (ppt)。 他們翻譯生物化子的識別成 nanomechanical 彎曲 microcantilever [17]。 出現從分析物分子的吸附的分子間作用力在 microcantilever 上的導致表面重點,直接地造成 nanomechanical 彎曲 microcantilever。

感覺 Microcantilevers 的應用在物理和化學的

基於懸臂式的傳感器有廣泛的應用在物理和化學。 他們用於評定聲波速度、液髏壓力和流速,并且可以調整選擇性地拾起音響振動。 生體毒素能檢測與在 ppt 級別的區分通過塗懸臂的一個端用單克抗體特定為特殊生體毒素。 小的大氣壓更改的作用在振動的懸臂的共鳴能感覺。 暴露的作用對紫外線輻射的能通過選擇適當的聚合物塗層感覺。 注意到用在一個端的金子塗的氮化硅懸臂對酸度值變化是相當敏感的。 基於此,懸臂式基於傳感器可以做檢測酸度值變化。 他們也用於檢測水銀蒸氣、濕氣、天然氣、混合氣體、甲苯和線索在水中。

在微小和 Nanocantilevers 基礎上的傳感器的類型

濕氣傳感器

濕氣在這個環境裡可以被評定,如果 microcantilever 的一個端用明膠 [18] 塗。 明膠束縛對水蒸氣當前在氣氛,從而導致彎曲懸臂。 橡樹嶺國家實驗室的研究員 (ORNL),美國向顯示用吸濕材料塗的懸臂例如磷酸可以使用作為傳感器為檢測與 picogram 質量解決方法 [19 的] 水蒸汽。 當水蒸氣在懸臂的上漆的表面時被吸附,有在 microcantilevers 和懸臂式偏折上共鳴頻率的變化。 microcantilevers 區分可以被塗其表面增加用有的材料高親合力為分析物。

除草藥傳感器

羅伯特在這個液體環境裡用於 Microcantilevers 檢測除草藥的濃度 Raiteri 和工友 [20]。 除草藥 2,4 dichlorophenoxyacetic 酸 (2,4-D) 是上漆的在懸臂的上面。 2,4-D 的單克抗體然後提供了給懸臂。 這個單克抗體和除草藥之間的特定交往導致彎曲懸臂。 很多研究開發抗體有機氯和有機磷的殺蟲劑和除草藥的檢測的被塗上的懸臂式 immunobiosensors 當前以在含水媒體的 ng/l 濃度。 Alvarez 和工友展示了使用殺蟲劑 dichloro dipheny 三氯乙烷 [21 的] (DDT) 檢測的 microcantilevers。

金屬離子傳感器

Microcantilever 傳感器被使用檢測 10M 在流-9 細胞42- [22 的] 陰級射線示波器的濃度。 在此設備,使用了三乙基的 12 mercaptododecyl 氨鹽基溴化物一塊自被彙編的層在餾金的 microcantilever 表面的。 Microcantilevers 能為一定數量的氣體分析物的化工檢測使用。 使用 microcantilevers 的一個多元素的傳感器列陣設備可以做同時檢測多種離子。

溫度傳感器/熱傳感器

在溫度和熱上的變化彎曲懸臂組成由用不同的熱擴散系數的材料由這個複本位制的作用。 Microcantilever 根據傳感器評定在溫度上的變化一樣小像 10-5 K,并且可以為照片上升暖流評定使用。 他們可以用於作為微熱量計學習在催化作用的化學反應的放熱,并且焓更改在相變。 複本位制的 microcantilevers 可能執行 photothermal 分光學 [23] 與區分 150 fJ 和子毫秒時間分辨率。 他們可以檢測與 attojoule 區分的熱更改。

黏度傳感器

在媒體黏彈性上的變化轉移懸臂式共鳴頻率。 包圍懸臂以及一個被添加的質量的一個高度黏媒體將阻止降低其根本共鳴頻率的懸臂式動擺。 可能由壓電致動器振動共鳴和使用因此懸臂,黏度儀表 [24]。

量熱傳感器

在這些傳感器,仅溫度變化将被評定 [25,26]。 大多化學反應與在熱上的一個變化相關。 因此,量熱有極大的潛在識別各種各樣的化合物。 像葡糖氧化酶的酵素在 microcantilever 的表面可以被固定和被塗上,特別地將起反應與在這個解決方法的葡萄糖導致一個可認識的量熱法信號。 由於懸臂的微小的熱量質量和區分,量熱傳感器使用懸臂將是傳感器的下一代檢測的溫度變化。

檢測磁性小珠的傳感器

Baselt 和工友 [27] 解釋了使用 microcantilevers 的可能性作為強制變換裝置檢測感受器官上漆的磁性小珠出現。 檢測唯一停留在 functionalized 懸臂式表面上的 µm 範圍磁性小珠出現是可能的通過應用外部磁場和評定 microcantilever 的偏折。 一個非常敏感傳感器可以通過標記與磁性小珠的分析物做。

懸臂式基於測距術傳感器

懸臂式基於測距術傳感器 [28] 將部署 fieldable 設備傳遞相關數據到中央收集崗位。 他們將啟用人事部佩帶或運載的使用機動分隊,并且替換在有些應用的架線的傳感器。 ORNL 的研究員製造與固定電子處理和測距術的一個 microfabricated 籌碼。 他們也研究方法檢測另外種類。

監控導彈存貯和維護需要的 Microsensors

小型化的 microcantilever 基於傳感器以遠程無線監控功能被使用瞭解到庫存情況 [29]。 此技術將評估在像濕氣的環境參數基礎上的彈藥壽命、溫度、壓、衝擊和發射火箭降低其他指示符的腐蝕以及編號包括氮化物。 與電子和測距術的唯一籌碼探測器能開發與數百個懸臂作為列陣監控,同時識別并且定量許多重要參數。 腐蝕傳感器限制了在溫和派的生活到嚴重環境。 系統必須是收集環境條件更好的知識的環境數據的編譯。 有需要開發像泡沸石 [30 的] 材料為使用作為特定檢測的使敏感的塗層。 泡沸石熱量地是作為分子篩、催化劑、離子交換器和化工吸收體商業上使用的穩定的 aluminosilicate 結構結構。 他們顯示非常好的選擇性和有選擇性的熱量解吸附作用屬性。

遠程紅外輻射檢測傳感器

一個遠程 (IR)紅外輻射檢測傳感器由 Oden 和工友 [31] 發展了。 傳感器組成用一塊吸熱的層塗的一個壓阻的懸臂。 壓阻的 microcantilevers 在未冷卻的紅外線檢測技術表示重要發展。 懸臂經過彎曲由於在塗層和這個基體之間的有差別的重點。 懸臂彎曲的原因在 piezoresistance 上的一個變化,與被吸收的相當數量是按比例熱。 溫度差異可以通過塗懸臂檢測用不同的材料,導致這個複本位制的作用造成彎曲懸臂。 因此,化學反應的量熱法檢測可以完成。 金黑色將擔當紅外線引人入勝的材料。 高熱擴散 bimaterial 塗層例如 Al、鉛和鋅能用於增加熱量地導致的彎曲 microcantilever。 因為他們是簡單,高靈敏和快速回應,二維懸臂式列陣可以為紅外線想像使用。

炸藥檢測裝置

相信狗有令人驚訝的嗅到的功率,他們在炸藥的檢測廣泛雇用的原因。 狗能通過嗅容易地被汽化的有機化學製品檢測炸藥當前以濃度一樣低像部件每十億。 許多組開展有效的研究打算使有 ` 鼻子在籌碼』的設備嗅到的功率完全相似對巨鼻。 在此 ` 鼻子在籌碼』設備 [32,33], microcantilever 列陣可能懸臂式中的每一個將不同地被塗上拾起一個特定有機化合物。 它在我們的像鞋子、走的藤莖,錢包等的日常使用項目可以合併檢測炸藥,无需告訴故障原因搜索操作。 設備是一個巨大成績從證券觀點,并且防止大事故。

用白金或過渡金屬塗的 microcantilever 可能起反應與黃色炸藥 (TNT),如果它被加熱對 570°C 并且被暫掛在 0.1 秒的該溫度。 TNT 的回應與懸臂式塗層的將導致迷你展開。 Thundat 和他的組 [34] 發展一個火柴盒大小設備檢測在機場皮箱的在此技術基礎上的炸藥和地雷。

感覺 Microcantilevers 的應用在疾病診斷領域

檢測微芯片的巨蟹星座

Arun Majumdar 和工友 [3] 展示了 microcantilever 癌症診斷的基於敏感檢驗。 他們用抗體塗 microcantilever 的表面特定對前列腺特定抗原 (PSA),在有的患者血液找到的前列腺癌標記前列腺癌。 當 PSA 上漆的 microcantilever 與血樣耐心配合有前列腺癌,抗原抗體複雜被形成了和懸臂式彎由於抗原分子的被吸附的質量。 低功率光學上檢測毫微米彎曲懸臂激光與子毫微米精確度使用照片探測器。 此 microcantilever 基於檢驗比 PSA 的檢測的常規生物化學的技術敏感,它比臨床相關閾值可能檢測抗原級別更低。 這個技術比 ELISA 一樣是像和可能地好。 而且,儘管沒有需要附有螢光標籤或 radiolabel 分子,費用每個檢驗是較少。 在壓電 nanomechanical microcantilever 基礎上諧振頻率班次的 PSA 的檢測也是由李和工友 [35] 展示了的。

肌球素檢測傳感器

Raiteri 和他的組 [4] 被使用的 microcantilevers 與在上面塗上的反肌球素單克抗體由 sulfosuccinimidyl 6 [3 (2-pyridyldithio) - propionamido] 已酸鹽 (sulfo LCSPDP) 交聯劑。 當提供了人力血清,肌球素一定對反肌球素,從而導致 microcantilever 的偏折。 容易地檢測了肌球素 85 个 ng/ml,是在健康人力血清的生理濃度。

葡萄糖生理傳感器

Pei 和工友 [36] 由葡糖氧化酶的鉗製在 microcantilever 表面上的報告了生物相關葡萄糖含量的 micromechanical 檢測的一個技術。 酵素functionalized microcantilever 經過彎曲由於在表面減輕壓力上的一個變化由在懸臂式表面固定的葡糖氧化酶的回應用在解決方法的葡萄糖。 實驗在流動條件下運載了,并且被展示葡萄糖檢測的公用干涉沒有對血糖的評定的作用。

冠狀心臟病的生理傳感器

存在了一種臨床生物化學的傳感器應用 [37],其中低密度脂蛋白的吸附 (LDL),并且他們的被氧化的表單 (oxLDL) 在肝素通過評定使用 biosensing 的 microcantilevers 的表面重點區分。 這個能力區分這兩個種類是利益,因為他們的從等離子的增加首席支持被氧化的表單,認為負責對膽固醇累計在主動脈的及時和與冠狀心臟病相關第一階段。 這個方法在緩衝環境也用於檢測在二等離子蛋白質、 (IgG)免疫球蛋白 G 和白蛋白 (BSA) 上的構像的變化,導致被他們的在固定的表面的吸附。 此現象是在介入固定的表面的生物醫學的應用的關鍵的重要,但是難評定與常規吸附技術。

檢測單一核苷酸多形性的懸臂式基於傳感器

在已知的 (SNPs)基因順序和這條染色體內的唯一核苷酸多形性是染色體組的研究的主要關心。 基因點突變導致幾個疾病例如地中海貧血、 Tay Sachs,老年癡呆症等。 所以,工作成績檢測唯一核苷酸多形性在這些疾病早期診斷在有的患者的處理將幫助,并且幫助這樣紊亂。 檢測這樣唯一基本對配錯一個有效和可靠的方式是通過使用對探測脫氧核糖核酸順序和目標脫氧核糖核酸順序之間的特定生物化子的識別交往是非常敏感的 microcantilevers。 他們可以檢測在 pico- 的濃度到 femtogram 範圍。 Thiolated 脫氧核糖核酸探測特定為特殊目標脫氧核糖核酸順序在餾金的 microcantilever 被固定。 與充分地免費目標脫氧核糖核酸順序的雜交將導致懸臂的淨正偏折。 淨正偏折是減少的結果對與構形有關熵的 dsDNA 與 ssDNA,導致壓縮力減少在懸臂的金端的。 探測脫氧核糖核酸的雜交與有目標的脫氧核糖核酸的一兩個基礎對不匹配在懸臂的淨負偏折的結果由於在 microcantilever 的餾金的表面施加的增加的排斥力。 偏折為有目標的脫氧核糖核酸比對於有目標的脫氧核糖核酸一基本對配錯是極大二基本對配錯。 程度厭惡增加,當基本對配錯的數量增加 [38]。 McKendry [39] 展示了多個標籤自由的 biodetection 和定量脫氧核糖核酸束縛的檢驗在一個 nanomechanical 懸臂式列陣。

這些脫氧核糖核酸基於 microcantilever 偏折檢驗是恩賜對 pharmacogenomics 的域,將開發藥物特別地做瞄準 SNPs。 這些檢驗比其他技術有少於 30 分鐘的快速響應時間并且便宜當前用於檢測 SNPs。 它是一個簡單的程序即,并且輸出懸臂式偏折是簡單的 +/- 信號。 像南部弄髒的當前雜交檢測技術要求高度嚴密回應情況,當這個基於 microcantilever 的技術要求仅生理緩衝和室溫時 (25°C) 到 nanomechanics 裡提供關於生物化子的識別的轉換的細節 [40]。 南部的雜交是非常繁瑣,昂貴,危害和費時的程序。 另一方面,因為可以找到, microcantilevers 擁有這個醫療診斷的一個巨大承諾不僅存在,但是配錯的地點。

生物芯片

在生物芯片 [41,42 的] 最近預付款向顯示在彎曲的傳感器 microfabricated 懸臂基礎上有潛在的好處超過以前使用的探知方法。 有機械檢測系統的生物芯片使用 microcantilever bimaterial (即澳大利亞 Si) 射線作為傳感元件。 澳大利亞端用某一感受器官通常塗。 在分析物 (即生物分子的捆綁,例如蛋白質或生物戰劑) 與感受器官,感受器官表面被拉緊或被解除。 這造成 microcantilever 偏轉,并且發現偏折按比例與分析物含量。 捆綁的示例在生物化子的 (感受器官/分析物) 應用的是: 抗體抗原捆綁或一個對的脫氧核糖核酸雜交有脫氧核糖核酸的子線 (感受器官/分析物) 補充順序 [42]。 生物芯片有 microcantilevers 作為傳感元件不為他們的運算要求外部電力,標記,外部電子或者螢光分子或者信號換能。 生物芯片的這些類型可以用於篩選某些疾病例如癌症和檢測特定化學製品和生物戰代理人例如肉毒菌的毒素、炭疽病和黃麴黴毒素。 在一個 micromechanical 懸臂式列陣基礎上的一個化工傳感器是由 Battison 和工友 [37] 展示了的。

Nanocantilevers : 在傳感器的主要突破

Nanocantilevers, 90 濃厚毫微米和做氮化硅,由哈羅德導致的組研究員使用了 Craighead,康奈爾大學檢測長度脫氧核糖核酸 1578 基本對單件 [43]。 這個組聲稱可以準確地確定與大約 0.23 attograms (1 attogram 質量的一個分子 = 10 克-18 ) 使用這些 nanocantilevers 的他們。 研究員安置了 nanoscale 金小點在懸臂的末端,作為硫化物被修改的雙股的脫氧核糖核酸的獲取作用者。 但是原則上,金 nanodots 能用於獲取有所有的原生質一個自由硫化物組。 掃描激光束用於評定懸臂的振動頻率。 研究員相信在 nanocantilevers 基礎上的 nanodevices 將消滅對 PCR 放大作用的需要,從而簡化使用的方法的被定義的脫氧核糖核酸順序的檢測的為特定基因順序和變化篩選。

同樣, N. 納爾遜Fitzpatrick 。 [44] 在阿爾伯塔大學,加拿大做超稀薄的共振 nanocantilevers,等級 10 毫微米,在鋁鉬綜合。 這個組聲稱基於 NEMS 的設備的發展在金屬材料的將啟用新的應用領域因而消除半成品表面衍生作用的需要直接感覺的多種化合物。

普渡大學的研究員在 nanocantilevers 的創建介入。 他們使用了一個列陣變化的長度 nanocantilevers 與厚度的大約 30 毫微米并且 functionalized 他們與病毒的 [45] 抗體。 他們產生了非常有趣結果關於在抗體密度 w.r.t 上的變化 nanocantilevers 的長度。

結論

Microcantilevers 在科學範圍從實際的感覺每有潛在的應用和的化學製品領域對生物疾病診斷。 使用作為感覺結構的 microcantilevers 的主要好處在常規傳感器包括他們的與少量步驟的高區分、低成本、低分析物需求 (在 µl),無危險的程序 (消除對標籤的需要),快速回應和低功率需求。 最重要的是這個情況一個列陣 microcantilevers 可以為很大數量的分析物診斷被使用例如一個唯一疾病的多種疾病生物標誌在唯一的去因而有極大的高處理量分析功能。 技術把握這個關鍵對高靈敏的傳感器的下一代。 技術的發展 nanocantilevers 的,傳感器達到 attogram 區分,近來只是研究員的一個夢想。 在區分的進一步增加將給研究員這個能力計數分子的數量。

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聯絡詳細資料

Sandeep Kumar Vashist 博士

傳感器研究國家中心
都伯林市大學
Glasnevin, Dublin9
都伯林愛爾蘭

電子郵件: sandeep.vashist@dcu.ie

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

Last Update: 15. July 2013 15:50

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