eng
Выпуск #1/2011
М.Шейкин
С точностью до молекулы. Виды и принципы работы наносенсоров
С точностью до молекулы. Виды и принципы работы наносенсоров
Просмотры: 6271
Стремительное развитие современной науки требует совершенствования уже имеющихся и разработки новых методов измерений. Уникальные свойства наночастиц позволяют обойти ограничения, которые возникали при использовании “традиционных” чувствительных элементов. Измерить смещение на доли нанометров, сосчитать количество молекул в растворе или обнаружить опасный вирус в кровеносной системе человека – все это становится возможным при использовании наносенсорных технологий.
Теги: нанотехнологии нанотрубки сенсоры
Открытия, совершенные в области нанотехнологий, позволяют создавать принципиально новые типы чувствительных элементов – наносенсоры. Принцип их действия основан на особенностях строения наночастиц и на эффектах, которые могут иметь место только в наномире. Малые размеры наночастиц позволяют чувствительным элементам находиться внутри клеток живых организмов или взаимодействовать непосредственно с молекулами различных веществ.
Наносенсоры можно условно разделить на два класса. К одному относятся устройства, которые преобразуют внешние воздействия в электрические сигналы и могут использоваться в электронных схемах. От обычных электронных датчиков их отличает использование в качестве чувствительных элементов наночастиц или веществ на их основе. Следует заметить, что такие датчики не обязательно имеют размеры, сравнимые с наночастицами.
Ко второй группе относятся фотометрические биологические и химические сенсоры. В большинстве случаев они непосредственно взаимодействуют с молекулами веществ и клетками живого организма. Такие датчики сигнализируют о наличии искомых веществ с помощью оптических эффектов, например, эффекта люминесценции. Для "чтения" показаний этих сенсоров необходим источник света, например, лазер и светочувствительное устройство.
Пожалуй, самые универсальные наночастицы – это нанотрубки. Они могут быть использованы как база для создания механических и электрических устройств. Нанотрубка – это цилиндр, свернутый из графитовой сетки с шестиугольными ячейками. Диаметр нанотрубки составляет несколько нанометров, а максимальная на сегодняшний день длина – порядка 20 см [1].
По сути нанотрубка является одной гигантской молекулой. Межатомные силы, соединяющие атомы углерода в нанотрубке, значительно сильней сил межмолекулярного взаимодействия, поэтому нанотрубки имеют очень высокую механическую прочность. Электрические свойства нанотрубок также весьма необычны. В зависимости от хиральности, т.е. угла, под которым располагаются ячейки углеродной сетки относительно оси нанотрубки, последняя может иметь и металлические, и полупроводниковые свойства. Электрические свойства нанотрубки также изменяются при механической деформации и при поглощении ими молекул каких-либо веществ. Благодаря своей чувствительности к внешним воздействиям нанотрубки широко используются как основа для создания различных датчиков.
Самый простой вариант применения нанотрубки как сенсорного устройства – использовать ее в качестве чувствительного зонда сканирующего туннельного или атомно-силового микроскопа. В отличие от грубо (по атомным меркам) заточенных чувствительных игл, которые обычно используются в этих приборах, нанотрубка идеальна в роли зонда диаметром всего в несколько атомов. С ее помощью можно не только сканировать поверхность, но и подхватывать атомы и целые молекулы и перемещать их.
Один из первых работающих наносенсоров массы был создан в 1999 году [2]. С его помощью можно было определить вес молекулы. Измерялась резонансная частота нанотрубки с прикрепленной на ее конце молекулой и без нее. По разности частот можно было определить массу молекулы (рис.1).
На основе полупроводниковой нанотрубки можно создать простейший полевой транзистор (рис.2а). Нанотрубка является каналом транзистора, а контакты на ее концах – истоком и стоком. Затворный электрод расположен с обратной стороны диэлектрической подложки. Изменяя напряжение на затворе, можно управлять током в цепи сток–исток.
Как было указано выше, проводимость нанотрубки изменяется при внешних воздействиях.
Если приложить к нанотрубке усилие и изогнуть ее, то порог переключения транзистора изменяется. Это изменение несложно отследить (рис. 2б). По этому принципу можно создать электромеханические датчики давления силы и смещения [3–5].
Группа исследователей из университета Корнелла (США) создали электромеханический резонатор, способный определять очень малые значения прикладываемой к нему силы (рис.3) [6]. С его помощью можно детектировать смещение нанотрубки всего на 0,5 нм от нейтрального положения.
Приложив напряжение к затворному электроду, нанотрубку можно подтянуть до нужной степени упругости, либо заставить ее колебаться. Частота колебаний зависит от массы маятника, поэтому с помощью этого датчика можно взвешивать маленькие предметы – измерив резонансную частоту нанотрубки с грузом и без. Исследователи считают, что с помощью подобного устройства можно будет взвешивать отдельные атомы.
Химические сенсоры используются для определения концентрации газов в смеси, факта наличия молекул каких-либо веществ или для определения молекулярного состава вещества. Принцип их действия основан на свойстве нанотрубок изменять свои электрические свойства при поглощении ими молекул определенного типа. Так же, как и физический наносенсор, химический датчик может быть выполнен на основе нанотрубочного транзистора (рис.2в). При попадании молекулы-донора (например, NH3) внутрь p-проводящей нанотрубки происходит рекомбинация носителей заряда, ее проводимость уменьшается, и пороговое напряжение смещается в сторону отрицательных значений. Напротив, наличие рядом с сенсором молекул-акцепторов (NO2, O2) приводит к увеличению проводимости и смещению порога в положительную сторону [7].
Первый нанотрубочный газовый сенсор был создан в 2000 году [8]. В нем использовалась полупроводниковая нанотрубка, выращенная методом химического осаждения (CVD) на подложке SiO2/Si. При воздействии газов NO2 и NH3 проводимость трубки изменялась (рис.4).
Время отклика такого датчика составляло от 2 до 10 с при концентрации NO2 200 ppm. Для восстановления до начального состояния сенсору потребовалось около 12 ч при комнатной температуре. Повышение температуры до ~200°C уменьшило это время до ~1 ч.
Чувствительность нанотрубки к газам можно повысить посредством функционализации – т.е. модификации с помощью наночастиц чувствительных веществ.
Одна из последних разработок в области газовых наносенсоров – каталитический датчик из нанонитей диоксида ванадия VO2, покрытых наночастицами палладия [9]. При температуре 68°C диоксид ванадия переходит из диэлектрического в металлическое состояние и его сопротивление резко снижается. Взаимодействуя с наночастицами палладия, молекулы водорода распадаются на атомы – происходит каталитический распад. Атомы водорода поглощаются поверхностью нанонитей и встраиваются в кристаллическую решетку VO2, вызывая этим понижение температуры перехода диэлектрик–металл более чем на 10°C. Исследование чувствительности этого сенсора к водороду при температуре 45–55 °C показало, что время реакции сенсора на водород – около 7 мин. Через 4 ч продувания кислородом при температуре 50°C сопротивление сенсора увеличивается до начального значения.
Для того чтобы получить нити из оксида ванадия, в кварцевый сосуд на расстоянии 5 мм друг от друга поместили порошок VO2 и подложку из оксидированного кремния. Сосуд был помещен в печь, где, после продувки гелием, он нагревался до 600°C в течение 2 ч. После охлаждения сосуда из него извлекли нанонити оксида ванадия на подложке. К ним подсоединили электроды из титана и золота (рис.5а), и методом испарения электронным лучом нанесли слой наночастиц палладия (рис.5б).
Необычный датчик кислорода с двойной системой индикации был разработан исследователями из университета Питтсбурга (США) (рис.6а). Нанотрубки были модифицированы с помощью особых наночастиц – дендримеров, несущих катионы европия Eu3+ [10]. Дендримеры основаны на древовидных полимерах, и внешне напоминают шарообразную связку прутиков, растущих из центральной точки (рис.6б). Сами по себе они инертны, но их можно использовать как своеобразные контейнеры для молекул различных веществ.
Нанотрубки, модифицированные европием, при воздействии кислорода меняют свои электрические свойства и одновременно меняются флуоресцентные свойства чувствительной пленки сенсора. Предполагается, что одновременный контроль содержания кислорода двумя различными методами обеспечивает более высокое качество сенсоров. Устройство может определять концентрации кислорода в пределах 5–27%.
Использование композитных наноматериалов позволяет улучшить характеристики обычных "больших" химических сенсоров, используемых в приборах типа "электронный нос" или системах безопасности. Например, чувствительность газового датчика резистивного типа можно повысить, если добавить нанотрубки в полупроводниковый чувствительный слой из оксида сурьмы SnO2.
В работе [11] рассмотрено интересное применение для датчиков на основе пленок SnO2. Система из двух сенсорных элементов, содержащих соответственно 0,5 об. % и 1 об. % нанотрубок, может быть эффективна при анализе паров этанола и метанола. Такую систему можно применять при контроле качества вин и других алкогольных напитков, где требуется обнаруживать примесь метанола.
При различных концентрациях этанола разность сигналов с двух датчиков изменялась (рис.7а), но при наличии метанола сигнал с первого датчика был всегда меньше первого (рис.7б). разности этих показаний можно определить наличие метанола.
Электрохимический нанотрубочный биосенсор (рис.2г) по принципу действия схож с химическим. Но изменение проводящих свойств нанотрубки в этом случае происходит под действием протеинов, молекул ДНК или антигенов, которые присоединяются к предварительно модифицированной нанотрубке. Для того чтобы сделать нанотрубку чувствительной к биологическим объектам, к ней присоединяют определенные белки, молекулы ДНК или антитела [12].
Наносенсоры, работающие по этому принципу, способны определять приближающиеся приступы астмы, рак легких, обнаруживать вирусы, например, гриппа, или возбудителей малярии [13, 14].
При всей своей универсальности нанотрубки достаточно сложны в производстве.
Группа исследователей под руководством профессора Марка Рида из Йельского университета разработала биологический сенсор белков на полупроводниковых нанонитях. По принципу действия этот сенсор схож с нанотрубочным датчиком, но технология его изготовления значительно проще [15]. Полупроводниковые нанонити толщиной 30 нм покрываются молекулами, которые могут прикрепляться к определенным белкам. Эти нити погружаются в исследуемый раствор. В процессе накопления на нанонити белков происходит уменьшение тока, которое несложно зарегистрировать. Такое устройство за несколько секунд способно распознавать наличие 30 тыс белковых молекул, растворенных в воде. Также прибор способен заметить кислоту, которую выделяют иммунные клетки при выработке антител.
Полупроводниковые нанонити для этого сенсора изготавливались методом анизотропного травления. На подложку с тонким слоем кремния через маску наносился растворитель. Толщина получившихся кремниевых полосок оказалась слишком большой. Чтобы уменьшить ее до нужного размера, после удаления маски процесс травления длился еще некоторое время. В итоге, используя медленно действующий растворитель и качественную подложку, удалось получить тонкие кремниевые нанонити. Технология анизотропного травления проста и позволяет производить недорогие химические сенсоры.
Электрические наносенсоры не являются автономными устройствами, они могут работать только в составе какого-либо электронного прибора. Этого недостатка лишены фотометрические наносенсоры, которые могут работать автономно, т.е. они не связаны физически с измерительными устройствами и способны функционировать без источников питания.
В Ливерморской национальной лаборатории (США) был разработан интересный метод для быстрого определения в растворах молекул различных веществ, в первую очередь ядохимикатов и компонентов биологического оружия [16].
Сначала по специальной технологии изготавливаются никелевые нанонити, помеченные определенными штрих-кодами. Код выполнен в виде чередующихся золотых и серебряных полосок и наносится электрохимическим методом.
Затем эти нанонити соединяются с различными антителами-индикаторами, которые должны реагировать на детектируемые вещества. Таким образом, каждый индикатор получает свой уникальный идентификатор.
Для проведения теста на содержание ядовитых веществ в раствор, содержащий нанонити с антителами, помещают исследуемое вещество. Если в образце есть искомые молекулы, флуоресцентные индикаторы реагируют на них и начинают светиться при облучении ультрафиолетом. По штрих-кодам легко определить, какие именно индикаторы среагировали, и, следовательно, какие вещества содержатся в исследуемой смеси. Этот метод позволяет за один раз определить сотни различных веществ. Таким способом можно детектировать не только ядовитые вещества, но также и вирусы или крупные молекулы вроде ДНК.
Еще один быстродействующий биологический сенсор для определения вирусов в жидких средах был разработан в Бостонском университете [17]. Основа конструкции этого датчика – пленка из благородного металла, например, золота, с множеством отверстий диаметром 200–350 нм, отстоящих друг от друга на 500–800 нм. На решетку нанесены антитела, чувствительные к какому-либо вирусу (рис.8а). Такая нанорешетка с расстоянием между отверстиями меньше длины волны видимого света позволяет наблюдать явление "экстраординарного пропускания света", суть которого заключается в появлении резонансного пика в определенном диапазоне частот при облучении решетки светом. Этот эффект называется "поверхностный плазмон-поляритонный резонанс" [18].
Частота резонанса зависит не только от самой решетки, но и от ее ближайшего окружения. Если на решетке окажутся вирусы, пик резонанса сместится, и это изменение несложно обнаружить, сравнив с отражением света от эталонной пустой решетки (рис.8б, в). Работу устройства проверяли сначала в фосфатно-солевом буферном растворе, в который были добавлены вирусы, а затем и в условиях, приближенных к реальности – при наличии большого количество сывороточного альбумина, иммуноглобулинов и гормонов. В экспериментах авторов датчик успешно обнаруживал и распознавал вирусы везикулярного стоматита, лихорадки Эбола и вакцинии. Исследователи считают, что с помощью предложенного сенсора можно искать вирусы прямо в человеческой крови.
Благодаря своим малым размерам наносенсоры могут легко вводиться в организм и оставаться там, не вызывая какого-либо дискомфорта. В Центре биологической нанотехнологии Мичиганского университета (США) был разработан метод контроля дозы радиоактивного облучения для астронавтов [19].
В качестве индикаторов предлагается использовать молекулы, которые реагируют на самоликвидацию белых кровяных телец (лимфоцитов) при радиационном облучении. В качестве контейнеров для индикаторов было решено использовать дендримеры. Перед полетом в кровеносную систему астронавта вводят жидкость, содержащую такие индикаторные наночастицы. Попав в кровь, дендримеры закрепляются внутри лимфоцитов. Молекулы-индикаторы улавливают "ферменты самоубийства" и начинают светиться под действием ультрафиолета, когда лимфоцит начинает разрушаться. Маленький прибор с миниатюрным лазером, установленный в ухе астронавта, отслеживает светящиеся лимфоциты в капиллярах барабанной перепонки и по беспроводной связи подает сигнал об облучении на главный компьютер корабля.
Похожий метод использования наночастиц предлагают исследователи из Шотландии. Они разработали золотые наносенсоры для контроля процессов свертывания крови в кровеносной системе человека [20].
Для чтения состояния сенсоров используется эффект Рамана, который возникает при облучении молекул лазером. Излучение, рассеиваемое молекулами, содержит фотоны той же частоты, что и падающее излучение, а также некоторое количество фотонов с измененной или смещенной частотой. Излучение со смещенной частотой называют рамановским излучением.
Сенсор представляет собой кремниевый шарик диаметром 120 нм, покрытый тонким слоем золота (рис.9). К поверхности сенсора прикреплены фрагменты нуклеиновых кислот, которые "настроены" на молекулы тромбинов – ферментов, ответственных за свертывание крови. При облучении сенсора лазером эти молекулы поглощают свет и переизлучают его на рамановской частоте. Золотая поверхность сенсора работает как усилитель ответного сигнала. Если к сенсору прикрепились молекулы протеинов, то частота и амплитуда ответного излучения изменяются. По изменению частоты можно судить о наличии тромбинов. Эти сенсоры позволяют обнаруживать суб-фемтомолярные (10-12) концентрации тромбинов в кровеносной системе человека в реальном времени. Исследователи подчеркивают, что детектировать рамановское излучение проще, чем флюоресценцию. Золотые наночастицы абсолютно безвредны для клеток человеческого организма и не могут вызывать отторжения или смерти клеток. С помощью этого метода можно определять наличие не только тромбинов, но и многих других протеинов.
Наносенсорные технологии могут помочь ученым-генетикам в исследовании ДНК. Процедура секвенации ДНК, т.е. сканирования молекулы и запись последовательности аминокислот, пока что остается достаточно сложной и дорогой. Возможно, исследователям из Иллинойского университета (США) удалось найти методику, которая поможет упростить процесс секвенирования и сделать его дешевле. Ученые смогли протянуть молекулу ДНК через отверстие в специальной кремниевой мембране с помощью электрического поля [21].
Удивительно, что молекула ДНК смогла протиснуться через отверстие (нанопору) диаметром даже 2,5 нм, т.е. диаметра, меньшего, чем сама молекула. Электрическое поле сжимает молекулу и протягивает ее через столь узкое отверстие.
Для эксперимента в раствор электролита была помещена кремний-нитридная мембрана с нанопорами диаметром от 1 до 3 нм и два электрода (рис.10).
В область отрицательно заряженного электрода поместили молекулы ДНК и приложили напряжение через мембрану, измеряя ток, протекающий между электродами. В то время как молекула ДНК проходила через канал, транспорт электролита временно прекращался, а ток, протекающий по цепи, изменялся. Сила, которая понадобилась для “протягивания” ДНК через нанопору колебалась от 1 до 300 пН. На основании проделанных экспериментов удалось построить математическую модель, которая описала процесс транспорта ДНК. Ученые считают, что на основе этого датчика можно построить секвенатор ДНК. Поместив в нанопору различные протеины, можно будет измерить силу протягивания молекулы мимо них. По величине этой силы и динамике ее изменения можно будет определить последовательность нуклеотидов в ДНК, а также находить поврежденные участки.
Литература
1. Xueshen Wang et al. Fabrication of Ultralong and Electrically Uniform Single-Walled Carbon Nanotubes on Clean Substrates. – Nano Letters, 2009, v.9(9), р.3137–3141.
2. Poncharal P, Wang ZL, Ugarte D, de Heer WA. Electrostatic Deflections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes”. Science, 1999, 283, p.1513–1516.
3. Jungen, S. Roth, V.M. Bright, C. Hierold. Fabrication of single-walled carbon-nanotube-based pressure sensors. – Nano Letters, 2006, 6 (2), p.233–237.
4. C. Stampfer, A. Jungen, C. Hierold. Fabrication of discrete nanoscaled force sensors based on single-walled carbon nanotubes. – IEEE Sensors Journal, 2006, 6 (3), p.613–617.
5. C. Stampfer, A. Jungen, R. Linderman, D. Obergfell, C.H.S. Roth. Nano-electromechanical displacement sensing based on singlewalled carbon nanotubes. – Nano Letters, 2006, 7 (7), p.1449–1453.
6. Paul L. McEuen et al. A tunable carbon nanotube electromechanical oscillator – Nature, 431, 284-287.
7. P. Bondavalli, P. Legagneux, D. Pribat. Carbon nanotubes based transistors as gas sensors: state of the art and critical review. – Sensors and Actuators, part B – Chemical sensors, 2009, 140 (1), p.304–318.
8. Kong, J. et al. Nanotube molecular wires as chemical sensors. – Science, 2000, 287, p. 622–625.
9. Martin Moskovits et al. Pd-Sensitized Single Vanadium Oxide Nanowires: Highly Responsive Hydrogen Sensing Based on the Metal−Insulator Transition. – Nano Letter, 2009, 9 (12), p.3980–3984.
10. Alexander Star et al. Decorated carbon nanotubes with unique oxygen sensitivity, – Nature Chemistry, 2009, 1, 500–506.
11. Wongchoosuk C., Wisitsoraatb A. Portable electronic nose based on carbon nanotube – SnO2 gas sensors and its application for detection of methanol contamination in whiskeys. – Sensors and Actuators, part B – Chemical sensors, 2010, v.147, p.392–399.
12. Xueqing Zhang, Quin Guo, and Daxiang Cui. Recent advantages in nanotechnology applied to biosensors. – Sensors, 2009, 9, p.1033–1053.
13. H.-Y. Yeh, M.V. Yates, W. Chen, A. Mulchandani. Real-time molecular methods to detect infectious viruses. – Seminars in Cell & Developmental Biology, 2009, 20 (1), p.49–54.
14. P. Tallury, A. Malhotra, L.M. Byrne, S. Santra. Nanobioimaging and sensing of infectious diseases. – Advanced Drug Delivery Reviews, 2010, 62 (4–5) (2010), p.424–437.
15. M.A. Reed et al. Label-free immunodetection with CMOS-compatible semiconducting nanowires. – Nature, 2007, 445, p.519–522.
16. Jeffrey B.-H. Tok at al. Striped Nanowires as Multiplexed Immunoassay Platforms for Pathogen Detection. – Angewandte Chemie International Edition, 2006, v.45, Issue 41, p.6900–6904.
17. Hatice Altug et al. An Optofluidic Nanoplasmonic Biosensor for Direct Detection of Live Viruses from Biological Media. – Nano Letters, 2010, 10 (12), p.4962–4969.
18. Pompa P. P., Martiradonna L. et al. Metal-enhanced fluorescence of colloidal nanocrystals with nanoscale control. – Nature Nanotechnology, 2006, v.1, p.126–130.
19. http://nano.med.umich.edu/Platforms/Biosensors.html
20. Michael A. Ochsenkühn and Colin J. Campbell. Probing biomolecular interactions using surface enhanced Raman spectroscopy: label-free protein detection using a G-quadruplexDNA aptamer. – Chemical Communications, 2010, 46, p.2799–2801.
21. Aleksandar P. Ivanov et al. DNA Tunneling Detector Embedded in a Nanopore. – Nano Letter, 2011, 11(1), p.279–285.
Наносенсоры можно условно разделить на два класса. К одному относятся устройства, которые преобразуют внешние воздействия в электрические сигналы и могут использоваться в электронных схемах. От обычных электронных датчиков их отличает использование в качестве чувствительных элементов наночастиц или веществ на их основе. Следует заметить, что такие датчики не обязательно имеют размеры, сравнимые с наночастицами.
Ко второй группе относятся фотометрические биологические и химические сенсоры. В большинстве случаев они непосредственно взаимодействуют с молекулами веществ и клетками живого организма. Такие датчики сигнализируют о наличии искомых веществ с помощью оптических эффектов, например, эффекта люминесценции. Для "чтения" показаний этих сенсоров необходим источник света, например, лазер и светочувствительное устройство.
Пожалуй, самые универсальные наночастицы – это нанотрубки. Они могут быть использованы как база для создания механических и электрических устройств. Нанотрубка – это цилиндр, свернутый из графитовой сетки с шестиугольными ячейками. Диаметр нанотрубки составляет несколько нанометров, а максимальная на сегодняшний день длина – порядка 20 см [1].
По сути нанотрубка является одной гигантской молекулой. Межатомные силы, соединяющие атомы углерода в нанотрубке, значительно сильней сил межмолекулярного взаимодействия, поэтому нанотрубки имеют очень высокую механическую прочность. Электрические свойства нанотрубок также весьма необычны. В зависимости от хиральности, т.е. угла, под которым располагаются ячейки углеродной сетки относительно оси нанотрубки, последняя может иметь и металлические, и полупроводниковые свойства. Электрические свойства нанотрубки также изменяются при механической деформации и при поглощении ими молекул каких-либо веществ. Благодаря своей чувствительности к внешним воздействиям нанотрубки широко используются как основа для создания различных датчиков.
Самый простой вариант применения нанотрубки как сенсорного устройства – использовать ее в качестве чувствительного зонда сканирующего туннельного или атомно-силового микроскопа. В отличие от грубо (по атомным меркам) заточенных чувствительных игл, которые обычно используются в этих приборах, нанотрубка идеальна в роли зонда диаметром всего в несколько атомов. С ее помощью можно не только сканировать поверхность, но и подхватывать атомы и целые молекулы и перемещать их.
Один из первых работающих наносенсоров массы был создан в 1999 году [2]. С его помощью можно было определить вес молекулы. Измерялась резонансная частота нанотрубки с прикрепленной на ее конце молекулой и без нее. По разности частот можно было определить массу молекулы (рис.1).
На основе полупроводниковой нанотрубки можно создать простейший полевой транзистор (рис.2а). Нанотрубка является каналом транзистора, а контакты на ее концах – истоком и стоком. Затворный электрод расположен с обратной стороны диэлектрической подложки. Изменяя напряжение на затворе, можно управлять током в цепи сток–исток.
Как было указано выше, проводимость нанотрубки изменяется при внешних воздействиях.
Если приложить к нанотрубке усилие и изогнуть ее, то порог переключения транзистора изменяется. Это изменение несложно отследить (рис. 2б). По этому принципу можно создать электромеханические датчики давления силы и смещения [3–5].
Группа исследователей из университета Корнелла (США) создали электромеханический резонатор, способный определять очень малые значения прикладываемой к нему силы (рис.3) [6]. С его помощью можно детектировать смещение нанотрубки всего на 0,5 нм от нейтрального положения.
Приложив напряжение к затворному электроду, нанотрубку можно подтянуть до нужной степени упругости, либо заставить ее колебаться. Частота колебаний зависит от массы маятника, поэтому с помощью этого датчика можно взвешивать маленькие предметы – измерив резонансную частоту нанотрубки с грузом и без. Исследователи считают, что с помощью подобного устройства можно будет взвешивать отдельные атомы.
Химические сенсоры используются для определения концентрации газов в смеси, факта наличия молекул каких-либо веществ или для определения молекулярного состава вещества. Принцип их действия основан на свойстве нанотрубок изменять свои электрические свойства при поглощении ими молекул определенного типа. Так же, как и физический наносенсор, химический датчик может быть выполнен на основе нанотрубочного транзистора (рис.2в). При попадании молекулы-донора (например, NH3) внутрь p-проводящей нанотрубки происходит рекомбинация носителей заряда, ее проводимость уменьшается, и пороговое напряжение смещается в сторону отрицательных значений. Напротив, наличие рядом с сенсором молекул-акцепторов (NO2, O2) приводит к увеличению проводимости и смещению порога в положительную сторону [7].
Первый нанотрубочный газовый сенсор был создан в 2000 году [8]. В нем использовалась полупроводниковая нанотрубка, выращенная методом химического осаждения (CVD) на подложке SiO2/Si. При воздействии газов NO2 и NH3 проводимость трубки изменялась (рис.4).
Время отклика такого датчика составляло от 2 до 10 с при концентрации NO2 200 ppm. Для восстановления до начального состояния сенсору потребовалось около 12 ч при комнатной температуре. Повышение температуры до ~200°C уменьшило это время до ~1 ч.
Чувствительность нанотрубки к газам можно повысить посредством функционализации – т.е. модификации с помощью наночастиц чувствительных веществ.
Одна из последних разработок в области газовых наносенсоров – каталитический датчик из нанонитей диоксида ванадия VO2, покрытых наночастицами палладия [9]. При температуре 68°C диоксид ванадия переходит из диэлектрического в металлическое состояние и его сопротивление резко снижается. Взаимодействуя с наночастицами палладия, молекулы водорода распадаются на атомы – происходит каталитический распад. Атомы водорода поглощаются поверхностью нанонитей и встраиваются в кристаллическую решетку VO2, вызывая этим понижение температуры перехода диэлектрик–металл более чем на 10°C. Исследование чувствительности этого сенсора к водороду при температуре 45–55 °C показало, что время реакции сенсора на водород – около 7 мин. Через 4 ч продувания кислородом при температуре 50°C сопротивление сенсора увеличивается до начального значения.
Для того чтобы получить нити из оксида ванадия, в кварцевый сосуд на расстоянии 5 мм друг от друга поместили порошок VO2 и подложку из оксидированного кремния. Сосуд был помещен в печь, где, после продувки гелием, он нагревался до 600°C в течение 2 ч. После охлаждения сосуда из него извлекли нанонити оксида ванадия на подложке. К ним подсоединили электроды из титана и золота (рис.5а), и методом испарения электронным лучом нанесли слой наночастиц палладия (рис.5б).
Необычный датчик кислорода с двойной системой индикации был разработан исследователями из университета Питтсбурга (США) (рис.6а). Нанотрубки были модифицированы с помощью особых наночастиц – дендримеров, несущих катионы европия Eu3+ [10]. Дендримеры основаны на древовидных полимерах, и внешне напоминают шарообразную связку прутиков, растущих из центральной точки (рис.6б). Сами по себе они инертны, но их можно использовать как своеобразные контейнеры для молекул различных веществ.
Нанотрубки, модифицированные европием, при воздействии кислорода меняют свои электрические свойства и одновременно меняются флуоресцентные свойства чувствительной пленки сенсора. Предполагается, что одновременный контроль содержания кислорода двумя различными методами обеспечивает более высокое качество сенсоров. Устройство может определять концентрации кислорода в пределах 5–27%.
Использование композитных наноматериалов позволяет улучшить характеристики обычных "больших" химических сенсоров, используемых в приборах типа "электронный нос" или системах безопасности. Например, чувствительность газового датчика резистивного типа можно повысить, если добавить нанотрубки в полупроводниковый чувствительный слой из оксида сурьмы SnO2.
В работе [11] рассмотрено интересное применение для датчиков на основе пленок SnO2. Система из двух сенсорных элементов, содержащих соответственно 0,5 об. % и 1 об. % нанотрубок, может быть эффективна при анализе паров этанола и метанола. Такую систему можно применять при контроле качества вин и других алкогольных напитков, где требуется обнаруживать примесь метанола.
При различных концентрациях этанола разность сигналов с двух датчиков изменялась (рис.7а), но при наличии метанола сигнал с первого датчика был всегда меньше первого (рис.7б). разности этих показаний можно определить наличие метанола.
Электрохимический нанотрубочный биосенсор (рис.2г) по принципу действия схож с химическим. Но изменение проводящих свойств нанотрубки в этом случае происходит под действием протеинов, молекул ДНК или антигенов, которые присоединяются к предварительно модифицированной нанотрубке. Для того чтобы сделать нанотрубку чувствительной к биологическим объектам, к ней присоединяют определенные белки, молекулы ДНК или антитела [12].
Наносенсоры, работающие по этому принципу, способны определять приближающиеся приступы астмы, рак легких, обнаруживать вирусы, например, гриппа, или возбудителей малярии [13, 14].
При всей своей универсальности нанотрубки достаточно сложны в производстве.
Группа исследователей под руководством профессора Марка Рида из Йельского университета разработала биологический сенсор белков на полупроводниковых нанонитях. По принципу действия этот сенсор схож с нанотрубочным датчиком, но технология его изготовления значительно проще [15]. Полупроводниковые нанонити толщиной 30 нм покрываются молекулами, которые могут прикрепляться к определенным белкам. Эти нити погружаются в исследуемый раствор. В процессе накопления на нанонити белков происходит уменьшение тока, которое несложно зарегистрировать. Такое устройство за несколько секунд способно распознавать наличие 30 тыс белковых молекул, растворенных в воде. Также прибор способен заметить кислоту, которую выделяют иммунные клетки при выработке антител.
Полупроводниковые нанонити для этого сенсора изготавливались методом анизотропного травления. На подложку с тонким слоем кремния через маску наносился растворитель. Толщина получившихся кремниевых полосок оказалась слишком большой. Чтобы уменьшить ее до нужного размера, после удаления маски процесс травления длился еще некоторое время. В итоге, используя медленно действующий растворитель и качественную подложку, удалось получить тонкие кремниевые нанонити. Технология анизотропного травления проста и позволяет производить недорогие химические сенсоры.
Электрические наносенсоры не являются автономными устройствами, они могут работать только в составе какого-либо электронного прибора. Этого недостатка лишены фотометрические наносенсоры, которые могут работать автономно, т.е. они не связаны физически с измерительными устройствами и способны функционировать без источников питания.
В Ливерморской национальной лаборатории (США) был разработан интересный метод для быстрого определения в растворах молекул различных веществ, в первую очередь ядохимикатов и компонентов биологического оружия [16].
Сначала по специальной технологии изготавливаются никелевые нанонити, помеченные определенными штрих-кодами. Код выполнен в виде чередующихся золотых и серебряных полосок и наносится электрохимическим методом.
Затем эти нанонити соединяются с различными антителами-индикаторами, которые должны реагировать на детектируемые вещества. Таким образом, каждый индикатор получает свой уникальный идентификатор.
Для проведения теста на содержание ядовитых веществ в раствор, содержащий нанонити с антителами, помещают исследуемое вещество. Если в образце есть искомые молекулы, флуоресцентные индикаторы реагируют на них и начинают светиться при облучении ультрафиолетом. По штрих-кодам легко определить, какие именно индикаторы среагировали, и, следовательно, какие вещества содержатся в исследуемой смеси. Этот метод позволяет за один раз определить сотни различных веществ. Таким способом можно детектировать не только ядовитые вещества, но также и вирусы или крупные молекулы вроде ДНК.
Еще один быстродействующий биологический сенсор для определения вирусов в жидких средах был разработан в Бостонском университете [17]. Основа конструкции этого датчика – пленка из благородного металла, например, золота, с множеством отверстий диаметром 200–350 нм, отстоящих друг от друга на 500–800 нм. На решетку нанесены антитела, чувствительные к какому-либо вирусу (рис.8а). Такая нанорешетка с расстоянием между отверстиями меньше длины волны видимого света позволяет наблюдать явление "экстраординарного пропускания света", суть которого заключается в появлении резонансного пика в определенном диапазоне частот при облучении решетки светом. Этот эффект называется "поверхностный плазмон-поляритонный резонанс" [18].
Частота резонанса зависит не только от самой решетки, но и от ее ближайшего окружения. Если на решетке окажутся вирусы, пик резонанса сместится, и это изменение несложно обнаружить, сравнив с отражением света от эталонной пустой решетки (рис.8б, в). Работу устройства проверяли сначала в фосфатно-солевом буферном растворе, в который были добавлены вирусы, а затем и в условиях, приближенных к реальности – при наличии большого количество сывороточного альбумина, иммуноглобулинов и гормонов. В экспериментах авторов датчик успешно обнаруживал и распознавал вирусы везикулярного стоматита, лихорадки Эбола и вакцинии. Исследователи считают, что с помощью предложенного сенсора можно искать вирусы прямо в человеческой крови.
Благодаря своим малым размерам наносенсоры могут легко вводиться в организм и оставаться там, не вызывая какого-либо дискомфорта. В Центре биологической нанотехнологии Мичиганского университета (США) был разработан метод контроля дозы радиоактивного облучения для астронавтов [19].
В качестве индикаторов предлагается использовать молекулы, которые реагируют на самоликвидацию белых кровяных телец (лимфоцитов) при радиационном облучении. В качестве контейнеров для индикаторов было решено использовать дендримеры. Перед полетом в кровеносную систему астронавта вводят жидкость, содержащую такие индикаторные наночастицы. Попав в кровь, дендримеры закрепляются внутри лимфоцитов. Молекулы-индикаторы улавливают "ферменты самоубийства" и начинают светиться под действием ультрафиолета, когда лимфоцит начинает разрушаться. Маленький прибор с миниатюрным лазером, установленный в ухе астронавта, отслеживает светящиеся лимфоциты в капиллярах барабанной перепонки и по беспроводной связи подает сигнал об облучении на главный компьютер корабля.
Похожий метод использования наночастиц предлагают исследователи из Шотландии. Они разработали золотые наносенсоры для контроля процессов свертывания крови в кровеносной системе человека [20].
Для чтения состояния сенсоров используется эффект Рамана, который возникает при облучении молекул лазером. Излучение, рассеиваемое молекулами, содержит фотоны той же частоты, что и падающее излучение, а также некоторое количество фотонов с измененной или смещенной частотой. Излучение со смещенной частотой называют рамановским излучением.
Сенсор представляет собой кремниевый шарик диаметром 120 нм, покрытый тонким слоем золота (рис.9). К поверхности сенсора прикреплены фрагменты нуклеиновых кислот, которые "настроены" на молекулы тромбинов – ферментов, ответственных за свертывание крови. При облучении сенсора лазером эти молекулы поглощают свет и переизлучают его на рамановской частоте. Золотая поверхность сенсора работает как усилитель ответного сигнала. Если к сенсору прикрепились молекулы протеинов, то частота и амплитуда ответного излучения изменяются. По изменению частоты можно судить о наличии тромбинов. Эти сенсоры позволяют обнаруживать суб-фемтомолярные (10-12) концентрации тромбинов в кровеносной системе человека в реальном времени. Исследователи подчеркивают, что детектировать рамановское излучение проще, чем флюоресценцию. Золотые наночастицы абсолютно безвредны для клеток человеческого организма и не могут вызывать отторжения или смерти клеток. С помощью этого метода можно определять наличие не только тромбинов, но и многих других протеинов.
Наносенсорные технологии могут помочь ученым-генетикам в исследовании ДНК. Процедура секвенации ДНК, т.е. сканирования молекулы и запись последовательности аминокислот, пока что остается достаточно сложной и дорогой. Возможно, исследователям из Иллинойского университета (США) удалось найти методику, которая поможет упростить процесс секвенирования и сделать его дешевле. Ученые смогли протянуть молекулу ДНК через отверстие в специальной кремниевой мембране с помощью электрического поля [21].
Удивительно, что молекула ДНК смогла протиснуться через отверстие (нанопору) диаметром даже 2,5 нм, т.е. диаметра, меньшего, чем сама молекула. Электрическое поле сжимает молекулу и протягивает ее через столь узкое отверстие.
Для эксперимента в раствор электролита была помещена кремний-нитридная мембрана с нанопорами диаметром от 1 до 3 нм и два электрода (рис.10).
В область отрицательно заряженного электрода поместили молекулы ДНК и приложили напряжение через мембрану, измеряя ток, протекающий между электродами. В то время как молекула ДНК проходила через канал, транспорт электролита временно прекращался, а ток, протекающий по цепи, изменялся. Сила, которая понадобилась для “протягивания” ДНК через нанопору колебалась от 1 до 300 пН. На основании проделанных экспериментов удалось построить математическую модель, которая описала процесс транспорта ДНК. Ученые считают, что на основе этого датчика можно построить секвенатор ДНК. Поместив в нанопору различные протеины, можно будет измерить силу протягивания молекулы мимо них. По величине этой силы и динамике ее изменения можно будет определить последовательность нуклеотидов в ДНК, а также находить поврежденные участки.
Литература
1. Xueshen Wang et al. Fabrication of Ultralong and Electrically Uniform Single-Walled Carbon Nanotubes on Clean Substrates. – Nano Letters, 2009, v.9(9), р.3137–3141.
2. Poncharal P, Wang ZL, Ugarte D, de Heer WA. Electrostatic Deflections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes”. Science, 1999, 283, p.1513–1516.
3. Jungen, S. Roth, V.M. Bright, C. Hierold. Fabrication of single-walled carbon-nanotube-based pressure sensors. – Nano Letters, 2006, 6 (2), p.233–237.
4. C. Stampfer, A. Jungen, C. Hierold. Fabrication of discrete nanoscaled force sensors based on single-walled carbon nanotubes. – IEEE Sensors Journal, 2006, 6 (3), p.613–617.
5. C. Stampfer, A. Jungen, R. Linderman, D. Obergfell, C.H.S. Roth. Nano-electromechanical displacement sensing based on singlewalled carbon nanotubes. – Nano Letters, 2006, 7 (7), p.1449–1453.
6. Paul L. McEuen et al. A tunable carbon nanotube electromechanical oscillator – Nature, 431, 284-287.
7. P. Bondavalli, P. Legagneux, D. Pribat. Carbon nanotubes based transistors as gas sensors: state of the art and critical review. – Sensors and Actuators, part B – Chemical sensors, 2009, 140 (1), p.304–318.
8. Kong, J. et al. Nanotube molecular wires as chemical sensors. – Science, 2000, 287, p. 622–625.
9. Martin Moskovits et al. Pd-Sensitized Single Vanadium Oxide Nanowires: Highly Responsive Hydrogen Sensing Based on the Metal−Insulator Transition. – Nano Letter, 2009, 9 (12), p.3980–3984.
10. Alexander Star et al. Decorated carbon nanotubes with unique oxygen sensitivity, – Nature Chemistry, 2009, 1, 500–506.
11. Wongchoosuk C., Wisitsoraatb A. Portable electronic nose based on carbon nanotube – SnO2 gas sensors and its application for detection of methanol contamination in whiskeys. – Sensors and Actuators, part B – Chemical sensors, 2010, v.147, p.392–399.
12. Xueqing Zhang, Quin Guo, and Daxiang Cui. Recent advantages in nanotechnology applied to biosensors. – Sensors, 2009, 9, p.1033–1053.
13. H.-Y. Yeh, M.V. Yates, W. Chen, A. Mulchandani. Real-time molecular methods to detect infectious viruses. – Seminars in Cell & Developmental Biology, 2009, 20 (1), p.49–54.
14. P. Tallury, A. Malhotra, L.M. Byrne, S. Santra. Nanobioimaging and sensing of infectious diseases. – Advanced Drug Delivery Reviews, 2010, 62 (4–5) (2010), p.424–437.
15. M.A. Reed et al. Label-free immunodetection with CMOS-compatible semiconducting nanowires. – Nature, 2007, 445, p.519–522.
16. Jeffrey B.-H. Tok at al. Striped Nanowires as Multiplexed Immunoassay Platforms for Pathogen Detection. – Angewandte Chemie International Edition, 2006, v.45, Issue 41, p.6900–6904.
17. Hatice Altug et al. An Optofluidic Nanoplasmonic Biosensor for Direct Detection of Live Viruses from Biological Media. – Nano Letters, 2010, 10 (12), p.4962–4969.
18. Pompa P. P., Martiradonna L. et al. Metal-enhanced fluorescence of colloidal nanocrystals with nanoscale control. – Nature Nanotechnology, 2006, v.1, p.126–130.
19. http://nano.med.umich.edu/Platforms/Biosensors.html
20. Michael A. Ochsenkühn and Colin J. Campbell. Probing biomolecular interactions using surface enhanced Raman spectroscopy: label-free protein detection using a G-quadruplexDNA aptamer. – Chemical Communications, 2010, 46, p.2799–2801.
21. Aleksandar P. Ivanov et al. DNA Tunneling Detector Embedded in a Nanopore. – Nano Letter, 2011, 11(1), p.279–285.
Отзывы читателей
