Литературный обзор. 
Создание полимерных кантилеверов для химических и биологических сенсоров на их основе

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. 1.1. 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]:

.

где E — модуль Юнга материала кантилевера, — коэффициент Пуассона материала кантилевера, t и L — толщина и длина кантилевера, 1 и 2 — 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. 1.2. 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.