работа (стр. 1 из 3)
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова
физический факультет
кафедра физики полимеров и кристаллов
КУРСОВАЯ РАБОТА
Студента 4 курса
Колесова Дмитрия Валерьевича
Создание полимерных кантилеверов для химических и
биологических сенсоров на их основе.
Научный руководитель:
д.ф.-м.н., профессор
Яминский И. В.
Москва, 2006
Содержание.
1. Введение. 3
2. Литературный обзор. 5
A. Общие принципы работы сенсоров. 5
B. Полимерные кантилеверы и сенсоры на их основе. 7
3. Экспериментальная часть. 11
A. Метод создания тонких полимерных плёнок 11
B. Исследование резонанса кантилеверов из тонких 13
полимерных плёнок.
C. Создания газового сенсора на основе ПЭГ и 16
полимерного кантилевера.
D. Точность определения отклонения кантилевера. 17
Шумы лазера.
4. Выводы. 19
5. Список литературы. 20
1. Введение.
Сканирующая зондовая микроскопия, и в частности атомно-силовая микроскопия – это мощный инструмент изучения поверхностей исследуемых объектов. Но это не единственное её применение. На основе атомно-силового микроскопа создан целый ряд химических и биологических сенсоров. Обязательным элементом таких сенсоров является кантилевер с модифицированной поверхностью или даже целый набор таких кантилеверов. Кантилевер обычно представляет собой зонд в виде иголочки, выращенной на конце прямоугольной балки, и используется в АСМ. Но для сенсоров необязательно наличие на конце острого зонда. По способу детектирования сенсоры могут работать в статическом или динамическом режиме. В динамическом режиме фиксируется изменение резонансной частоты кантилевера в результате увеличения его эффективной массы или изменения упругих свойств. В статическом режиме наличие детектируемого вещества определяется по отклонению кантилевера.
Общий принцип работы статических сенсоров заключается в следующем. В результате взаимодействия модифицированной поверхности кантилевера и детектируемого вещества, возникает разность сил поверхностного натяжения на противоположных сторонах кантилевера. Под действием этой разности кантилевер изгибается. Его отклонение может фиксироваться при помощи оптической системы. Механизм появления дополнительных сил поверхностного натяжения может быть разный. В данной работе изучались сенсоры, основанные на набухании полимерных соединений. Разность сил поверхностного натяжения возникает за счёт набухания модификатора в парах детектируемого вещества. Также изучались сенсоры, в которых поверхностное натяжение появлялось в результате электростатического отталкивания между молекулами адсорбированного вещества.
Материалом для создания кантилеверов АСМ обычно служит кремний. Целью данной работы являлось создание новых и изучение уже существующих методов изготовления кантилеверов из тонких полимерных плёнок. Также изучались их свойства и применимость для создания химических и биологических сенсоров на их основе.
Основными целями работы являются:
1. изучение принципов создания химических и биологических сенсоров.
2. создание полимерных кантилеверов.
3. создание сенсоров на их основе.
4. в перспективе, создание “электронного носа” с использованием полимерных кантилеверов.
2. Литературный обзор.
2.А. Общие принципы работы сенсоров.
В последнее время проводится много экспериментов по разработке и созданию химических сенсоров. Обычно сенсор состоит из физического преобразователя, который преобразует какую-либо физическую величину в подходящий выходной сигнал, и химически селективного слоя, так чтобы выходной сигнал возникал в результате химического воздействия (Рис.2.1.). До конца 1980-х основными типам датчиков были а) температурные б) массовые
Рис.2.1. Принцип работы сенсора. Из статьи [1].
в) электрохимические и г) оптические [1,2]. Все эти способы детектирования основаны на свойствах скорее дополняющих друг друга, чем противоположных, поэтому вёлся поиск “идеального датчика”. В последние два десятилетия достижения в области микроэлектромеханических систем (МЭМС) вызвали развитие сенсоров, в которых происходит преобразование механической энергии и основанных в основном на механических явлениях. Разработка микрокантилеверов для атомно-силовой микроскопии явилась основой технологии сенсоров на МЭМС. Общая идея таких сенсоров состоит в том, что химическое или биологическое воздействие может влиять на механические характеристики микромеханического преобразователя таким образом, что их изменение может быть измерено при помощи электронных, оптических или других устройств [1].
Примером изменения таких характеристик может служить механическое движение и деформация микромеханических частей сенсора – кантилеверов. Такая деформация чаще всего возникает в результате действия сил поверхностного натяжения, которые возникают при адсорбции молекул на поверхности. Когда монослой молекул прикрепляется к одной стороне кантилевера, происходит отклонение кантилевера в результате разности поверхностного натяжения на противоположных сторонах кантилевера [3]. Величина отклонения определяется формулой Стоуни [1,3]:
, (1)где E – модуль Юнга материала кантилевера, n - коэффициент Пуассона материала кантилевера, t и L – толщина и длина кантилевера, s1 и s2 – коэффициенты поверхностного натяжения на верхней и нижней поверхностях кантилевера.
Регистрация отклонения кантилевера от положения равновесия часто служит оптическая система. Она состоит из лазера, луч которого, отражаясь от кантилевера, попадает на обычно четырех секционный фотодиод. При отклонении кантилевера луч будет перемещаться по фотодиоду, что собственно и может быть зафиксировано (Рис.2.2) [1,4].
Рис.2.2. Принцип регистрации отклонения кантилевера при
помощи оптической системы. Из статьи [1]
Часто в качестве сенсоров используют не один кантилевер, а целый набор (массив) кантилеверов прикреплённых к общему основанию [2,3,4,5] (рис.3.). Их может быть 8 как в [4,5] или больше как в [3]. Различные кантилеверы модифицируются различными химически или биологически чувствительными слоями или не модифицируются вовсе. В газовой среде такие наборы могут быть использованы для создания “искусственного носа” определяющего летучие пары и запахи [4,5]. Пример простейшего “электронного носа” различающего пары воды и этанола описан в [5]. Для его создания использовался массив из восьми кремниевых кантилеверов длиной 500 мкм, шириной 100 мкм и толщиной 0.5-1 мкм. В качестве чувствительных слоёв были выбраны 8 различных полимеров содержащие различные полярные группы (табл.1). Одна поверхность каждого кантилевера была покрыта тонкой плёнкой одного из полимеров. В парах воды наблюдался отклик всех восьми кантилеверов, в то время как в парах этанола – только кантилеверов покрытых ПЭГ, ПЭИ, ПВП и ПММА. Отклонение кантилеверов вызывается набуханием полимеров на поверхности кантилевера.
2.Б. Полимерные кантилеверы и сенсоры на их основе.
Согласно формуле Стоуни (1) величина отклонения кантилевера, а значит и чувствительность обратно пропорциональна модулю Юнга материала кантилевера. Таким образом, чувствительнее будет кантилевер, сделанный из материала с меньшим модулем Юнга. В последнее время проводится много экспериментов по созданию кантилеверов из полимеров [2,3,6]. Техника создания таких датчиков из полимеров отработана ещё не так хорошо как из кремния. Поэтому предлагаются разные методы.
В статье [2] авторы делали кантилеверы из 6-микрометровой плёнки полиэтилентерафталата. Пластинки необходимой формы вырезались при помощи ультрафиолетового лазера. В итоге получился массив из трёх кантилеверов длинной 600мкм, шириной 250 мкм и толщиной 6 мкм (Рис.2.3).
Рис.2.3. Изображение массива из трёх кантилеверов изготовленного
из полиэтилентерафталата с размерами балок 250х600х6 мкм.
Из статьи [2].
В качестве демонстрации использования таких кантилеверов был создан биосенсор для регистрации одноцепочечной ДНК. Для этого одна сторона кантилевера покрывалась тонким, 50 нанометровым слоем золота, на который прикреплялась ДНК комплиментарная к детектируемой. В эксперименте удалось обнаружить концентрации ДНК до 0.1 мкМ в объёме 0.2 мл, что является очень хорошим результатом.
 |
В другой работе [3] в качестве материала для кантилеверов использовался полимерный материал SU-8. Изготовление кантилеверов производилось методом последовательного нанесения и частичного удаления слоёв нескольких химических веществ: Cr, Si, Au, SU-8, Az-resist. Необходимая форма придавалась, как и в предыдущей статье, при помощи вырезания из плёнки
Рис.2.4. Набор из 17 кантилеверов длиной 100 мкм изготовленных из SU-8.
Из статьи [3].
ультрафиолетовым лазером. В результате получились массивы из 9,15,17 и 33 кантилеверов с различной длиной (100 и 200 мкм), шириной (20, 30, 50 мкм) и толщиной от 1.3 до 2 мкм (Рис.2.4). Такие наборы были опробованы в статическом режиме для наблюдения адсорбции модифицированной тиолами одноцепочечной ДНК на золото. При впрыскивании 20 мл двухмикромолярного раствора такой ДНК, кантилевер изгибался по мере образования самоорганизующегося монослоя. Это показывает, то хемисорбция ДНК вызвала изменение поверхностного натяжения. Таким образом, такие кантилеверы можно использовать в качестве сенсоров. Для сравнения был проведён такой же эксперимент для обычного кантилевера из нитрида кремния. При тех же концентрациях веществ отклонение оказалось в шесть раз меньше.