Измерение массы наночастиц

 

3.2 Анализ результатов экспериментов, выполненных в области резонансного микровзвешивания

 

Кантилевер, собственные колебания которого возбуждались лазерным импульсом наносекундной длительности на длине волны 532 нм, а регистрируются колебаний данного кантилевера с помощью адаптивного голографического интерферометра на основе динамической голограммы, нашел в метрологии для измерения масс различных микро- и нанообъектов, в биологических и биомедицинских исследованиях (детектирование вирусов, молекул ДНК, белков).

Благодаря тому, что кварцевые микровесы  могут работать не только в вакууме  и на воздухе, но и в жидкости, они получили широкое распространение  в биохимии. Например, иммобилизовав  на поверхности весов распознающие биомолекулы, специфически захватывающие из раствора определяемое вещество, получают один из вариантов биосенсора. Наибольшее распространение получили иммунобиосенсоры, распознающие антитела, и ДНК-биосенсоры, распознающие короткие фрагменты ДНК или РНК.

К измерению методом микровзвешивания сводятся измерения множества параметров: толщины пленок, влажности, состава  газовых смесей, давления, температуры, концентрации микропримесей, коррозионной стойкости, окислительной стабильности, растворимости, упругости паров, различных физико-химических параметров веществ и тд.;

Применяют кантилеверы для чувствительности к различным химическим элементам  из таблицы Менделеева. Например, при модификации кантилевера гидрогелем, содержащим молекулы краун-эфира, удалось создать сенсор на ионы Pb²⁺ c чувствительностью 10^-6 М. Или сенсор с чувствительностью 10^-11 М к ионам Hg²⁺. Селективность анализатора ионов ртути обеспечивалась модификацией золотой поверхности кантилевера с использованием молекул алкан- тиолов. К ионам других металлов (K⁺, Na⁺, Pb²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺) сенсор оказался практически нечувствительным.

Ещё один эксперимент проводился по определению содержания муравьиной и уксусной кислоты в атмосфере  [3]. Экспериментальная установка включала в себя блок питания, ячейку детектирования с жёстко закрепленными ПКР объёмных акустических волн, электроды предварительно модифицировали сорбентами, компрессор, двухканальный электронно счётный частотомер, совмещённый с ПК. В работе применяли ПКР АТ-среза с собственной резонансной частотой 10-15 МГц, материал электродов Al₂O₃ диаметром 5 мм. Эффективность сорбции оценивали по величине аналитического сигнала (максимальное изменение частоты колебаний сенсора). Чувствительность пьезосенсоров рассчитывалось как отношение отклика ПКР к концентрации кислоты в газовой пробе. В ходе эксперимента было установлено, что продолжительность сорбции муравьиной кислоты, в зависимости от её концентрации составляет 20-175 с, уксусной 40-215 с. Так же было установлено, что возможно раздельное определение кислот как на уровне ПДК, так и при более высоких концентрациях. Таким образом данный эксперимент доказывает возможность применения ПКР для экологического мониторинга экологически вредных производств и выявления не только качественного, но и количественного содержания загрязняющих веществ.

В более прикладных исследованиях кантилеверные системы используются для определения предельно малых концентраций паров взрывчатых веществ. Способность определения следов взрывчатки тринитротолуола  (тротил) .  Структура рецепторного слоя кантилевера представляла собой тонкие полимерные пленки трет- бутилкаликс арена, набухающие при проникновении в них молекул тротила. Скорость отклика полимерного сенсора составила 10  минут,  а предел чувствительности при отношении оказался равным 520*10^-9М.  Покрытия кантилевера, состоящие из самоорганизующихся слоев 4-меркаптобензойной кислоты,  применялись для разработки сенсора на пластиковую взрывчатку (пентаэритритол тетранитрат, пентрит и гексагидро-1,3,5-триазин, гексоген). Время полного отклика датчика на концентрации гексогена 10-30*10^-9 М составило 25 с. Способность рецепторного слоя связывать молекулы взрывчатки была обусловлена,  по мнению авторов работы, образующимися водородными связями между нитридными группами молекул взрывчатки и карбоксильными группами молекул 4-меркаптобензойной кислоты. 

Кантилеверы как уже было написано выше, для детектирование вирусов. В работе [4] было экспериментально продемонстрировано измерение массы вируса вакцины оспы 9.5 фг с использованием кантилевера шириной 1.8 мкм и длиной 4 мкм (рис.3.10).

Рисунок 3.10 - Микрокантилеверы с чувствительностью измерения массы 10^-19г/Гц , (б) кантилевер, способный измерить массу одной вирусной частицы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Методы регистрации массы, основанные на принципе измерения изменения  резонансной частоты, зарекомендовали  себя наилучшим образом. Данные методы представляют широкий спектр возможных  соотношений цена/качество, то каждому  дает возможность выбрать наиболее подходящий для себя инструмент, будь то крупная производственная компания, или мелкая исследовательская лаборатория. Точность используемых методик ещё не достигла своего физического предела, что говорит о возможности дальнейшего развития.

 Можно заключить, что будущее развитие нанотехнологических биосенсоров,  способных измерять массу отдельных вирусных частиц и ничтожные напряжения в молекулярных пленках опирается на микрокантилеверные системы, уже на данный момент демонстрирующие непревзойденную чувствительность и простоту методов прямого анализа. Основанные на методе связывания анализируемого вещества с рецепторным слоем, микрокантилеверные системы открывают новые направления висследовании межмолекулярных взаимодействий в биополимерных пленках.

По данным обзора касающимся применения микрокантилеверов в качестве датчиков,  можно сделать вывод, что за последнее десятилетие произошел критический прорыв в разработке микромеханических сенсорных систем c рекордными показателями масс чувствительности и количества связавшегося аналита. Данные системы используют принципиально новый метод преобразования биохимических реакций в аналитический сигнал через статические деформации, возникающие в результате, тепловых, электростатических и энергетических эффектов внутри рецептного слоя и структур. Микрокантилеверные системы, имея широкий спектр операционных режимов:

статический, динамический, контроль добротности и амплитуды аналитического сигнала, являются полноценным дополнением их хорошо известных аналогов: электрохимических, оптических, и акустических датчиков. Кроме того, комбинации различных схем регистрации аналитического сигнала микрокантиливера позволяют оптимизировать их работу практически в любой среде: вакууме, газовых и жидких фазах вещества.

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Ефимов Т.А. Сенсор сверхмалых масс на основе адаптивного голографического интерферометра. Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток. – [электронный ресурс]. – адрес http://mn2011.mephi.ru/articles/250  - Дата обращения 23.11 2012

2. Яминский И.В. Промежуточный научно- технический отсчет о выполнении 1 этапа НИР по направлению «Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии». Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва. – [электронный ресурс]. – адрес http://www.spm.genebee.msu.ru/ministry_of_science_and_education/GK_P255_report_part1.pdf– Дата обращения 24.11.2012

3. Коренман Я.И., Попова Н.Н.. Кучменко Т.А. Пьезосенсорный детектор для раздельного определения муравьиной и уксусной кислот в воздухе // Фундаментальные исследования. – 2007. - №2 – С. 17-20

4. A. Gupta, D. Akin, R. Bashir. Single virus particle mass detection using microresonators with nanoscale thickness // Appl. Phys. Lett. – 2004, – Vol.84, – No.11, – pp.1976-1978.

5. Т.Ким, С.Ким, К.Ванг, Г.Киселев, И.Яминский. Кантилеверные наносенсоры: возможности и применения // Наноиндусрия. – 2009. – С. 1-4