Создание полимерных кантилеверов для химических и биологических сенсоров на их основе - Курсовая работа

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова физический факультет кафедра физики полимеров и кристалловНа основе атомно-силового микроскопа создан целый ряд химических и биологических сенсоров. Кантилевер обычно представляет собой зонд в виде иголочки, выращенной на конце прямоугольной балки, и используется в АСМ. По способу детектирования сенсоры могут работать в статическом или динамическом режиме. В динамическом режиме фиксируется изменение резонансной частоты кантилевера в результате увеличения его эффективной массы или изменения упругих свойств. В результате взаимодействия модифицированной поверхности кантилевера и детектируемого вещества, возникает разность сил поверхностного натяжения на противоположных сторонах кантилевера.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.). 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. Величина отклонения определяется формулой Стоуни [1,3]: , где E - модуль Юнга материала кантилевера, n - коэффициент Пуассона материала кантилевера, t и L - толщина и длина кантилевера, s1 и s2 - коэффициенты поверхностного натяжения на верхней и нижней поверхностях кантилевера. Часто в качестве сенсоров используют не один кантилевер, а целый набор (массив) кантилеверов прикрепленных к общему основанию [2,3,4,5] (рис.3.).Согласно формуле Стоуни (1) величина отклонения кантилевера, а значит и чувствительность обратно пропорциональна модулю Юнга материала кантилевера. Таким образом, чувствительнее будет кантилевер, сделанный из материала с меньшим модулем Юнга. В статье [2] авторы делали кантилеверы из 6-микрометровой пленки полиэтилентерафталата. В итоге получился массив из трех кантилеверов длинной 600мкм, шириной 250 мкм и толщиной 6 мкм (Рис.2.3). В результате получились массивы из 9,15,17 и 33 кантилеверов с различной длиной (100 и 200 мкм), шириной (20, 30, 50 мкм) и толщиной от 1.3 до 2 мкм (Рис.2.4).Для этого сначала необходимо было научится производить пленки толщиной несколько микрометров. Существуют несколько способов получения таких пленок. Под действием центробежной силы раствор ровным слоем распределяется по поверхности. В другом методе раствор полимера капается на воду или, например, на полиэтилен. После испарения растворителя на поверхности воды, полиэтилена или другой подложки остается тонкая пленка.Далее из полученных и имеющихся пленок необходимо изготовить кантилевер. Один из них, обычно самый высокий определяет частоту собственных колебаний в плоскости параллельной длинной стороне кантилевера. Теоретические формулы для частоты собственных колебаний пластины различаются в зависимости от предположений, в которых они были выведены, но во всех них присутствует обратно квадратичная зависимость от длины пластины. Для проверки согласования с теорией измерялась собственная частота пластины, затем пластина укорачивалась ее в два раза и снова измерялась ее частота. Необходимо было получить возможность создавать кантилеверы одинаковых, заданных размеров, а также научится делать наборы кантилеверов одинаковой ширины и длины, прикрепленных к общему основанию.Согласно [5], кантилевер, модифицированный ПЭГ, отклоняется в парах этанола. Для регистрации изменения положения кантилевера использовалась оптическую систему атомно-силового микроскопа FEMTOSCAN и отслеживалось перемещение по фотодиоду отраженного от кантилевера луча лазера. После установления равновесия в область нахождения кантилевера при помощи обычного медицинского шприца были впрыснуты насыщенные пары этанола. На представлена зависимость отклонения луча, а, следовательно, и кантилевера, от времени. Величину тепловых шумов кантилевера легко теоретически рассчитать по формулам: , где E - модуль Юнга материала кантилевера, l,w,h - длина, ширина и высота кантилевера, k - жесткость кантилевера, kb - постоянная Больцмана, T - температура, A - отклонение кантилевера.

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Общие принципы работы сенсоров

1.2 Полимерные кантилеверы и сенсоры на их основе

2. Экспериментальная часть

2.1 Метод создания тонких полимерных пленок

2.2 Исследование резонанса кантилеверов из тонких полимерных пленок

2.3 Создания газового сенсора на основе ПЭГ и полимерного кантилевера

2.4 Точность определения отклонения кантилевера. Шумы лазера

Выводы и перспективы

Список литературы