Спецкурс Фізико-хімічні основи біомолекулярної електроніки Акустичні термічні мікромеханічні

Спецкурс “Фізико-хімічні основи біомолекулярної електроніки” Акустичні, термічні, мікромеханічні біосенсори Рачков О. Е. 30. 10. 2012

Classification of biosensors Electrical signal Interaction Bioselective Product Transducer membrane PC or recorder Analyte Catalytic Optical Noncatalytic Cells Antibodies Tissues Receptors Enzymes Nucleic acids Bio-mimics Acoustic Calorimetric Micromechanical Electrochemical

Біосенсори 1. Акустичні або гравіметричні (чутливі до зміни маси – mass-sensitive) 2. Термічні (heat-sensitive) або калоріметричні 3. Мікромеханічні

Гравіметричними сенсорами називають такі аналітичні прилади, сигнал яких є пропорційним масі речовини, що аналізують. Ці ж сенсори називають акустичними тому, що вони використовують механічні або акустичні хвилі.

Акустичні хвилі – коливання тиску, що можуть розповсюджуватися в газах, рідині або твердому середовищі Інфразвуки Звуки Ультразвуки Гіперзвуки менше 16 Гц – 20 к Гц – 1 ГГц вище 1 ГГц

Спектр акустичних хвиль

П’єзоелектричний ефект Це явище було відкрите братами П’єром та Поль. Жаком Кюрі у 1880 р. “Piezo” грецькою мовою означає тиск. Прямий п’єзоелектричний ефект Електричні заряди на протилежних гранях кристалів під час їх механічного стискання. Зворотний п’єзоелектричний ефект Механічна деформація пропорційно напруженості електричного поля.

П’єзоелектричні матеріали Природні кристали Кварц, топаз Al 2 Si. O 4(F, OH)2, Рошелева сіль (Na. K tartrate tetrahydrate). Інші природні матеріали Апатити Ca 5(PO 4)3(OH), Ca 5(PO 4)3 F і Ca 5(PO 4)3 Cl Штучні матеріали Ортофосфат галію (Ga. PO 4), Ніобати калію та літію (KNb. O 3), (Li. Nb. O 3) Цирконат титанат свинцю (PZT) Полівініліден фторид (PVDF )

Найбільш розповсюджені типи акустичних резонаторів та моди розповсюдження хвиль (bulk acoustic waves & surface acoustic waves) TSM ― thickness-shear-mode resonator SAW ― surface-acoustic-wave resonator SH-APM ― shear-horizontalacoustic-plate-mode resonator чорними стрілками показано зміщення частинок матерії, а стрілками з проміжками ― напрямок розповсюдження хвиль

при товщині 0, 33 мм - 5 МГц

Quartz crystal microbalance (QCM) resonator

TSM ≡ QCM

Quartz crystal microbalance (QCM) resonator

Sauerbrey equation Δf = -2. 3· 106 Δm F 2 A-1 Δf = зміна частоти коливань кристалу [Гц] Δm = зміни маси адсорбованого аналіту [г] Günter SAUERBREY (1933 - 2003) F = характеристична для даного кристала частота [Гц] (наприклад, F = 9 MГц) A = активна площа датчика [cм 2]

Експериментальна установка QCM Quartz crystal

Т – комплементарний олігонуклеотид М – частково комплементарний олігонуклеотид Wang J, Nielsen PE, Jiang M, Cai X, Fernandes JR, Grant DH, Ozsoz M, Beglieter A, Mowat M. Anal. Chem. 69 (1997) 5200 -5202 Mismatch-sensitive hybridization detection by peptide nucleic acids immobilized on a quartz crystal microbalance.

Різке збільшення чутливості детектування фага М 13 в залежності від характеристичної для даного кристала частоти коливань в діапазані 19 - 70 МГц. Це призвело до майже 30 -кратного поліпшення в чутливості. Проте незважаючи на це поліпшення, при таких високих значеннях кристала F, висновок з цього дослідження був таким, що загальна практична межа для більшості видів застосування QCM знаходиться близько 19 МГц, для яких існують комерційні пристрої. При більш високій частоті дослідникі повинні будувати свої власні схеми.

SAW sensors

Перетворювачі на основі поверхневих акустичних хвиль вимірюють вплив збурень на швидкість розповсюдження поверхневої хвилі між двома парами електродів. Така конфігурації називається "Лінія затримки". Коли чутливий шар стає важче, швидкість поширення зменшується пропорційно доданій масі. Великий діапазон частот (до 200 МГц), дозволяє отримати дуже високу чутливість. На жаль, ці пристрої не працюють належним чином в контакті з рідиною через сильні втрати енергії коливань в рідині.

Для застосувань в рідині був розроблений інший вид акустичного перетворювача. Він називається SH-AРМ (shear-horizontal- acousticplate-mode resonator). Це дозволяє звуковій хвилі поширюватися всередині матеріалу. Як і в попередньому варіанті, для збудження коливань використовуються гребінчаті електроди. Хвилі розповсюджуються через матеріал і відбиваються від двох протилежних сторін пластини. Зменшення товщини пластини призводить до збільшення резонансної частоти. Діапазон робочих частот становить від 25 до 200 МГц

Порівняння мас-чутливості різних пристроїв SAW пристрій виглядає як найбільш чутливий датчик маси, межа виявлення може досягати 10 pg cm-2, але тільки в газовій фазі. Між APM і QCM, різниця не настільки велика, особливо якщо резонансна частота класичної системи QCM збільшується.

Домашнє завдання http: //www. q-sense. com/qcm-d-technology 1. QCM-D. Що означає “D” ? 2. Яким способом визначають цю величину (однією фразою) ? 3. Знайти відео (4, 5 хв. ) і записати назви (скількох? ) маленьких розділів (по одному-двом слів!!!), що пояснюють, які матеріали можна вивчати, і, які дослідження можно проводити за допомогою QCM-D ?

Переваги Висока чутливість Відносно недорогі перетворювачі Можливість аналізу в режимі реального часу і без застосування молекулярних міток Можливість багаторазового використання Недоліки Не всі підходять для вимірів у рідині Чутливість до змін температури та деяких інших факторів середовища

Питання 1 Що таке (прямий і зворотний) п’езоелектричний ефект? Механізм формування відгуку акустичного сенсора.

Питання 2 Напишіть рівняння Sauerbrey. Поясніть, які величини (показники) і як саме можуть впливати на величину відгуку акустичного сенсора.

Питання 3 Види акустичних хвиль. Які матеріали використовують для акустичних сенсорів? Як враховують кристалічну структуру кварцу при виготовленні резонаторів?

Біосенсори 1. Акустичні або гравіметричні 2. Термічні (heat-sensitive) або калоріметричні 3. Мікромеханічні

. Теплотворність (molar enthalpies) ферментативних реакцій Heat output - H (k. J mole-1) Reactant Enzyme Cholesterol oxidase Esters Chymotrypsin Glucose oxidase 80 Hydrogen peroxide Catalase 100 Penicillin G Penicillinase 67 Peptides Trypsin 10 - 30 Starch Amylase 8 Sucrose Invertase 20 Urease 61 Uric acid Uricase 49 53 4 - 16

Термістор (комбінація слів thermal та resistor) ΔR = kΔT ΔR - зміна електричного опору (change in resistance) ΔT - зміна температури (change in temperature) k - температурний коефіціент опору першого порядку (first-order temperature coefficient of resistance) Термистор - це керамічні напівпровідники, виготовлені шляхом зпікання суміші оксидів марганцю, нікеля, кобальту та ін. Термистором можно вимірювати температуру з точностю до 0, 01– 0, 001 C, що забезпечує чутливість виявлення речовини на рівні 0, 1 м. М.

Схема калориметричного біосенсора Вхід зразку (а) термоізолюючий контейнер (b) теплообмінник (c) металевий блок термостата (d). термістори (e, g) ферментний реактор (f, об´ем 1 мл) вихід зразку (h). Зовнішній блок електроніки (l)

T = − H np / C H теплотворність (molar enthalpies) np кількість продукту в молях (moles of product), . C теплоємність (heat capacity) системи разом з розчинником In general, the heat capacity of most organic solvents is two or three times lower than that of aqueous solvents (Flygare and Danielsson, 1988). Enhanced sensitivities and detection limits are obtained in the organic solvents such as acetone, benzene, carbon tetrachloride, chloroform, ethanol, methanol, ethyl acetate, etc. Cholesterol, cholesterol esters and total cholesterol as well as peroxides, triglycerides and penicillin were measured using organic solvents.

ADP and ATP have been determined by recycling of multiple enzymes using thermometric approach. Pyruvate kinase and hexokinase were co-immobilized for this purpose. In another column L-lactate dehydrogenase, lactate oxidase and catalase were used to increase the sensitivity of measurements from 6× 10− 5 M. A final sensitivity down to 1× 10− 8 M could be achieved (Kirstein et al. , 1989).

Переваги Простота принципу аналіза Висока селективність за рахунок використання ферментів Можливість використовувати забарвлені та мутні розчини Недоліки Низька чутливість Високі вимоги до термоізоляції і збалансованості температури потоку

Питання 4 Що таке термістор? Його чутливість та застосування у сенсориці. Шляхи підвищення чутливісті термосенсорів.

Біосенсори 1. Акустичні або гравіметричні (чутливі до зміни маси – mass-sensitive) 2. Термічні (heat-sensitive) або калоріметричні 3. Мікромеханічні (на основі мікрокантилеверів – based on microcantilevers)

Cantilever - Консольна балка

Атомно-силова мікроскопія (АСМ) Atomic Force Microscopy (AFM)

Біоспецифічне детектування в статичному режимі за допомогою мікрокантилевера

Механізми виникнення напружень викликаних взаємодіями аналітів з чутливим покриттям Зміни поверхневої енергії при формуванні моношару Набухання багатошарових покриттів Гетерогенні наноструктуровані покриття

Динамічний режим Підходи для роботи в динамічному режимі подібні до вже знайомих вам акустичних резонаторів (використовується, головним чином, зміна маси на поверхні МК). 2 2 2 1/f 1 – 1/f 0 = m / (4 K), де f 0 та f 1 – частоти коливань мікрокантилевера до і після додавання досліджуваного зразку, K – пружна константа мікрокантилевера. Завдяки малим розмірам та значно меншій жорсткості мікрокантилевер з власною частотою 20– 200 к. Гц за чутливістю до зміни маси перевершує QCM і SAW сенсори, що працюють при 5– 500 МГц. Розрахунки показують, що при частоті 1 МГц мікрокантилевер зможе реєструвати 10– 21 г , тобто одиничні макромолекули.

Масив (array) мікрокантилеверів

Переваги Дуже висока чутливість Можливість аналізу в режимі реального часу і без застосування молекулярних міток Недоліки Небажана чутливість до механічних впливів (акустичний шум, вібрації) Небажана чутливість до незначних змін швидкості потоку або температури рідини (біосенсорні застосування)

Питання 5 Чим відрізняються мікрокантилевери для атомно-силової мікроскопії від мікрокантилеверів для сенсорів ? Два основних режими роботи сенсорів на основі мікрокантилеверів. Назвіть переваги і недоліки мікромеханічних сенсорів.

Дякую за увагу!