Плёнки Ленгмюра-Блоджет

Плёнки Ленгмюра-Блоджет (ЛБ — плёнки) отлично видны в атомно-силовой микроскоп, при помощи которого удается получатьмолекулярное разрешение. В атомно-силовой микроскоп наблюдаются участки плёнки, на которых видны параллельные полосы, надлежащие цилиндрическим мицеллам (ламелям) жидкокристаллической фазы.

Рис. 8.8 Устройство пленки Ленгмюра-Блоджет и изображение ее поверхности, приобретенное с внедрением АСМ. На базе таких пленок делают биосенсоры на бактерии и вирусы для диагностики разных болезней. В базе сотворения таких биосенсоров лежит закрепление на биологическом уровне активных молекул, к примеру ферментов либо антител, на жестких субстратах. Одним из обширно используемых для этого способов является изготовление мономолекулярных плёнок по технологии Ленгмюра-Блоджет. Способ позволяет упорядочивать и ориентировать молекулы в монослоях данным образом, обеспечивая наивысшую эффективность работы биосенсора.

Более высочайшего быстродействия можно достигнуть, если использовать в качестве носителя инфы не электроны, а поток фотонов. К примеру, довольно обычная конструкция вычислительного устройства выходит на базе использования оптических квантовых транзисторов на базе интерферометров Фабри-Перо.

В текущее время реальной альтернотивой твердотельной электронике является молекулярная электроника. Природа сделала самые различные молекулы, выполняющие разные функции сложного организма: сенсорные; логико-аналитические; двигательные, запоминающие. Можно не создавать искусственные структуры, а использовать готовые строй блоки.

Никакие, сделанные человеком измерительные устройства не могут быть настолько малогабаритны, экономны, чувствительны и универсальны как органы эмоций животных, растений. Почти все человек уже употребляет в практических целях из того, что сотворено природой. К примеру, способность живых созданий рассматривать запахи, примеси в воде и улавливать слабенькие энерго воздействия. Био датчики могут употребляться, к примеру, для прогноза природных явлений, биоиндикации разных физико-химических, технологических процессов и т.п. Животные ощущают механические напряжения в материале, электрические и акустические воздействия (рыбы ощущают напряженность электронного поля в границах нескольких мкВ на сантиметр).

В базе механизма чувствительности живых систем лежит способность под действием электрических полей пространственной переориентации белковых молекул в мембранах клеток. Подобные процессы уже реализуются в технических устройствах, к примеру, в водянистых кристаллах, характеризующихся подвижностью и структурной упорядоченностью вещества. Но есть еще огромные трудности исследования в исследовании таких «живых приборов». В связи с этим в текущее время проводятся исследования строения органов эмоций животных, изучается биология клеточки. К примеру, не решенной остается неувязка морфогенеза (формообразования) живых систем.

Если ранее в главном ставилась задачка проигрывания в технике принципов деяния живых систем, и это направление именовалось бионикой (бионика – проигрывание в технике принципов деяния в живых системах), то сейчас создаются гибридные системы, состоящие из живых и неживых частей, это направление именуется биотехникой (биотехника – создание гибридных систем, биоэлементов).

В текущее время в биофизике развивается три главных направления:

• молекулярная биофизика (белки, нуклеиновые кислоты);
• биофизика клеточки (мембранные структуры клеток);
• биофизика сложных систем (с позиций физико-математического моделирования разных уровней самоорганизации).

Можно выделить последующие особенности развития биотехнологий:

• био материалы для микроустройств (белки, ферменты) дешевы, ресурсы био материалов фактически неограниченны;
• развивается особенная разработка производства био микроустройств, механизм работы которых основаны на параметрических воздействиях на биоматериал;
• биоустройства способны преобразовывать энергию самых разных видов с внедрением обратимых процессов, создавать хемомеханические и механохимические датчики с внедрением раметрических воздействиях на материаллярные действия, частей. одвижностью и структурной упорядоченностью ср;
• КПД биопреобразователей приближаются к 100%, потому что в их реализуются автокаталитические процессы перевоплощения энергии;
• биопреобразователи обеспечивают регистрацию широкого диапазона веществ при высочайшей чувствительности, по этому удается регистрировать отдельные молекулярные действия, при высочайшей избирательной возможности устройств;
• биопреобразователи можно использовать неоднократно методом иммобилизации белков (нанесение белка на подложку);
• появилась перспектива сотворения набора типовых биомодулей;
• на базе биомодулей можно сделать аналоговые, волновые быстродействующие устройства, способные отменно моделировать процессы в системах;
• широкий диапазон внедрения биоустройств — хим создание, сельское хозяйство, охрана среды, исследования.

В наиблежайшие годы ожидается сотворения нового класса устройств смешанного типа, включающих в себя живы датчики и ЭВМ. Физические базы сотворения измерительных устройств данного типа отражают физические особенности молекулярной организации и простых процессов в живых системах. Понятно, что в базе процессов обмена клеточки со средой и внутреннего метаболизма лежит непростая система организованных во времени и пространстве разных реакций (био кинетика). При всем этом может, к примеру, изменяться мембранный потенциал клеточки. Эти процессы обрисовывают системой дифференциальных уравнений, но есть и неизменные характеристики (температура, влажность, рН, электропроводность).

Важную роль в работе биодатчиков играют процессы, происходящие в области мембраны. Биомембрану, представляющую собой липидный бислой, можно рассматривать как конденсатор, пластинами которого являются электролиты внутреннего и внешнего слоев смесей. В базе механизма генерации биопотенциалов в клеточках лежит перенос ионов через мембрану (8.2):

Пассивный транспорт вещества через мембрану (без издержек энергии) обоснован уменьшением энергии Гиббса (соответствует очень достижимой работе при неизменных Р и Т среды) вследствие хаотического термического движения молекул из области с большой концентрации в область с наименьшей концентрацией вещества. Такое перемещение вещества обосновано рвением системы к сбалансированному состоянию, рвением к возрастанию энтропии в системе. Существует несколько методов перемещения вещества в биообъектах.

Фильтрация – это движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Осмос – это движение воды из области наименьшей концентрацией раствора в область с большей его концентрацией. Диффузия ионов через клеточную мембрану приводит к изменению их концентрации меж внутренней и внешней областями, что обусловливает возникновение разности потенциалов.

Потенциал деяния – электронный импульс, обусловленный конфигурацией ионной проницаемости мембраны, связан с распространением волны возбуждения по нерву. При всем этом меняется соотношение концентрации ионов меж наружной и внутренней областями клеточки (8.3):

Средством электронных нервных импульсов (потенциалов деяния) в живом организме передается информация от рецепторов к нейронам мозга. Живой организм является стопроцентно электрофицированной системой.

В базе элементной базы биодатчиков лежит внедрение белков в качестве цепи электрического транспорта (ЦЭТ). Физической основой электрического транспорта в белках является туннельный механизм переноса электронного заряда, аналогичный моноэлектронному эффекту туннелирования зарядов в диэлектриках.

Линейная структура макромолекулы за счет соединения белков, имеющих «липкие» концы.

Рис. 8.9 Структура белка

Таким образом, на базе белковой инжекции делают сложные соединения из разных белков. Иммобилизированные белковые кристаллы являются материалом для сотворения биосенсоров. Но внедрение белков в качестве элементной базы туннельной микроэлектроники связано с наличием определенного психического барьера. Дело в том, что такие устройства получают из живых организмов. Будет нужно также и другая культура производства таких устройств, связанная с необходимостью обеспечения стерильности производства, плотности изделий, особенных критерий их эксплуатации (рабочая температура – до 100°С) и т.п.