Широким классом устройств на базе АСМ являются бесконтактные детекторы, имеющие сходство с микро/наноэлектромеханическими системами (М/НЭМС), макетом которых можно считать датчики поверхностного натяжения железных пленок, в первый раз обрисованных Стони в 1909 г.. МЭМС являются преобразователями вклада наружного многофакторного воздействия в механический отклик, принципно основанными на механическом движении и деформации стержней либо мембран различной формы. Благодаря уменьшению своей массы и жесткости конструкции МЭМС владеют высочайшей чувствительностью.

Возникновение атомно-силовой микроскопии значительно стимулировало развитие микромеханичеких датчиков и перевело делему МЭМС в разряд более суровых и проф разработок. С опытом развития технологий МЭМС многим исследователям, работающим в области атомно-силовой микроскопии, интуитивно стало понятно, что кантилевер можно использовать не только лишь в качестве профилометра поверхности, да и как высокочувствительный датчик для измерения разных физико-химических воздействий со стороны наружной среды. Составными частями хоть какого хим биохимического анализатора являются сенсор, взаимодействующий с определяемым веществом, и сенсор (физический преобразователь). Протекание хим реакции с реагентом, иммобилизованным на поверхности сенсора, сопровождается конфигурацией его физических и физико-химических параметров (оптических, электронных, акустических параметров и дт.), также массы и выделения либо поглощения теплоты и излучения. Преобразователь откликается на эти конфигурации и трансформирует их в величину аналитического сигнала, который может быть представлен в виде числовых данных о содержании анализируемого вещества.

В реальный момент на базе кантилеверов сотворено огромное количество детекторов, имеющих в собственной базе два принципа регистрации сигнала, поступающего с рецепторного слоя: 1-ый из их сводится к измерению резонансной частоты системы, а 2-ой – к определению ее механических деформаций (рис. 7.4).

Рис. 7.4 Главные режимы функционирования микрокантилеверных детекторов

Смещение своей частоты осциллирующей механической системы может произойти в итоге конфигурации ее пространственных размеров вследствие нагрева либо конфигурации модуля Юнга сенсорного слоя, приводящих к изменению жесткости детектора в целом. Прирост либо уменьшение своей массы осциллятора также приводят к смещению резонансной частоты. Данный вид резонансных кантилеверных датчиков является более всераспространенным. Изменение массы системы может происходить за счет адгезии либо хим сорбции (десорбции) исследуемого вещества на поверхность (с поверхности) детектора.

Для измерения массы выбираются особые кантилеверы, дозволяющие получить частотный отклик на наружный возбуждающий сигнал для обеспечения большей точности измерения массы. Малая масса δМ, которую можно измерить при помощи кантилевера, достигается последующим образом. Для уменьшения величины регистрируемого приращения массы требуется повышение динамического спектра за счет минимизации внутренних шумов системы, расширение рабочей полосы частот и повышение чувствительности, т.е. увеличение рабочей частоты резонатора и уменьшение его массы. Наружные диссипационные причины влияют на амплитудно-частотные свойства системы. В качестве этих причин могут выступать влажность и вязкость среды, температурные дрейфы и эффекты, связанные с процессами сорбции/десорбции анализируемого вещества на поверхности детектора. Потому принципиальной задачей в разработке чувствительных масс-сенсоров является обеспечение стабильности диссипационных черт наружной среды и отсутствия градиентов температуры.

В микрокантилеверных системах деформации могут быть инициированы действием наружных электростатических, магнитных и гравитационных полей, оказывающих силовое воздействие на рецепторный слой детектора. Мысль сотворения схожих детекторов была вызвана рвением прирастить их чувствительность методом введения дополнительных наружных силовых источников: магнитных доменов, зарядов, массовых частей, входящих в структуру сенсорного слоя в качестве меток, которые употребляются также и в других способах, к примеру радио-иммуноанализа (РИА) и ммуноферментного анализа (ИФА). При малозначительном количестве связавшихся единиц рисоединенные к ним метки усиливают, а в неких случаях конкретно генерируют сигнал связывания, увеличивая тем порог чувствительности способа.

Одним из первых детекторов, имеющим подобие современного кантилевера, который в в 1925 г. был описан Тимошенко, являлся железный стержень, состоящий из 2-ух скрепленных совместно железных пластинок с различными коэффициентами термического расширения. В первый раз подобные кантилеверы были использованы в 1994 г. В качестве прецизионных термометров для исследования термических эффектов во время каталитической реакции и в слое воды, образующемся на пленке Pt, напыленной на кантилевер, с точностью конфигурации температуры до K. Необходимо подчеркнуть, что в данном случае извив пластинки, пропорциональный термическому выходу реакции, был вызван биморфным эффектом в скрепленных слоях Pt и Si, который в текущее время обширно применяется в способах сканирующей термический микроскопии для получения карты локального термического рассредотачивания в работающих интегральных микросхемах и в разных датчиках термического излучения. Величина температурной деформации в биморфной системе прямоугольного кантилевера находится в зависимости от значений температурных коэффициентов расширения, теплопроводимости и модулей Юнга материалов двухслойного детектора, толщины сенсорных слоев, длины и ширины кантилевера, конфигурации температуры. Существенное распространение в современных биосенсорных приложениях получили датчики, в каких в качестве материала, инициирующего напряжения в кантилевере, выступают адсорбированные низкомолекулярные вещества, молекулярные комплексы, антитела, ферменты, ДНК, аптамеры, белки либо набухающие полимерные пленки.

Рис. 7.5 Архитектура силового иммунохимического микрокантилеверного детектора

Условием для корректной работы силового микрокантилеверного датчика является специфика одной из его поверхностей к исследуемому сорбированному веществу. Таковой датчик имеет одну плоскость, специфичную к сорбату, в то время как другая остается к нему инертной (Рис. 7.5). Поверхностные силы в молекулярных пленках на жестких подложках могут быть обоснованы электростатическим взаимодействием отдельных молекул либо их комплексов. Изменение свободной энергии, связанное с процессом адсорбции молекул на одну из сторон кантилевера, находится в зависимости от величины поверхностного натяжения пленки, свободной энергии поверхности, коэффициент конфигурации площади поверхности. Беря во внимание малые деформации балки по отношению к ее линейным размерам, вкладом растяжения поверхности можно пренебречь, тогда изменение свободной энергии тождественно величине поверхностного натяжения. Поверхностные силы в рецепторных слоях, состоящих из низкомолекулярных соединений, могут быть обоснованы также хим либо водородными связями, ультрафиолетовым и термическим излучениями. В случае биополимерных рецепторных слоев сложность поверхностных эффектов растет и просит детализированных исследовательских работ. Как следствие конфигурации в сенсорном слое поверхностной энергии в нем появляются силы лишнего давления либо поверхностного натяжения. В связи с этим, показатель направления извива кантилевера в микромеханических анализаторах является значимым, потому что охарактеризовывает набор доминирующих причин, отвечающих за энергетическое состояние системы в целом. Связь поверхностного натяжения с величиной смещения конца кантилевера, имеющего форму длинноватой прямоугольной балки находится в зависимости от разности сил поверхностного натяжения меж верхней плоскостью кантилевера с рецепторным покрытием и нижней без специфичного покрытия, длины и толщины прямоугольного кантилевера соответственно, коэффициента Пуассона и модуля Юнга материала кантилевера. Это позволяет получить количественную оценку величины напряжений в сенсорном слое, находящемся на поверхности кантилевра.