Урбанович А



Скачать 119.77 Kb.
Дата12.11.2016
Размер119.77 Kb.


Карельский Государственный Педагогический Университет
Наносенсоры
Выполнил: Урбанович А.

543 гр. (2007 г.)


Определения:

Сенсоры – особый класс информационных машин, предназначенных для извлечения информаций из окружающей естественной и/или техногенной среды.

Микросенсор – сенсор, при изготовлении которого используется технология интегральных схем или микроэлектромеханических систем, с электрическим выходным сигналом.

Наносенсор – сенсор, при изготовлении которого используются наноматериалы и нанотехнология микросхем и наноэлектромеханических систем (НЭМС), с электрическим выходным сигналом.

Нанотехнология – технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомной структурой, при этом оперирует отдельными атомами (молекулами) для того, чтобы получить хорошо организованные структуры с атомным уровнем точности.

Наука о сенсорах – самостоятельная научная дисциплина, предметом которой являются фундаментальные принципы, эффекты, предельные возможности и ограничения информационного представления действительного мира, взаимосвязь информационного и вещественно-энергетического подходов к его описанию, принципам построения, конструирования, технологии изготовления и обработки выходных сигналов и информационных образов.
Наносенсор из одной молекулы
Ученым из Калифорнийским университета в Лос-Анджелесе удалось создать биохимический сенсор, состоящий из одной молекулы длиной в 20 нанометров - в тысячу раз тоньше человеческого волоса.

Главное предназначение такого сенсора - определять заданную последовательность молекул ДНК или РНК в растворе. Когда молекула-сенсор реагирует (связывается) с нужной молекулой, она меняет свою форму и положение (притягивается к молекуле-объекту). Это отслеживается с помощью так называемой технологии рассеивания исчезающе малых волн (evanescent wave scattering), применяющейся также в томографии.

Новый вид сенсоров может найти применение в биотехнологии и медицине для диагностики генетических заболеваний, при тестировании новых лекарств или даже в военной области, например, для выявления активных агентов биологического оружия. В ближайших планах UCLA - использовать наносенсор для диагностики лейкемии на более ранней стадии, чем это возможно сегодня.

Как считает физик Джованни Дзокки, работавший над созданием наносенсора, их разработка может стать первым шагом в создании биохимических "лабораторий", помещающихся на одном чипе.

Финансирование работ по созданию наносенсора осуществлялось из Национального фонда научных исследований США.
Портативный “электронный нос”
Ученые из университета Беркли разработали портативное электронное устройство – так называемый "электронный нос". Прибор представляет собой тонкую кремниевую пластину, с помощью которой можно быстро и точно анализировать газовые смеси и обнаруживать бактерии в воздухе.

«Представьте себе портативную лабораторию, которая позволит вам количественно и качественно анализировать газы, предоставляя нужную информацию за минуты. Как только вы внесли чип „электронный нос“ в газовую среду, вы тут же получаете результат — почти полный химический анализ среды. В лаборатории вы получите те же результаты через несколько часов», — говорит президент компании Nanomix Дэвид Макдональд (David Macdonald).

Другое применение электронного носа — идентификация возбудителей заболеваний, передающихся воздушно-капельным способом. Как утверждает президент компании, чип способен и на это. «Наша технология „электронного носа“, или, как еще мы его называем — E-Nose, позволяет анализировать практически все, что содержится в воздухе», — комментирует Брэдли Джонсон (Bradley Johnson) из университета Беркли.

Несмотря на то, что устройство называется «электронный нос», принцип его действия похож на функционирование биологических рецепторов запахов. Любая молекулярная комбинация, находящаяся в воздухе и попадающая в одну из 2200 ячеек «носа», кодируется и обрабатывается компьютером, сообщает InsideBayArea. Примерно так же работают рецепторы нашего носа: каждый запах — это определенная конфигурация молекул, которая отсылается в мозг и там анализируется. «У этой технологии есть много вариантов для развития», — говорит г-н Макдональд.

Ученые из Беркли заложили основу алгоритмизации и принцип действия «электронного носа», но реализовать его «в железе» смогла компания Nanomix, которая довольно долгое время работает в области разработки и продвижения на рынок продуктов, использующих нанотехнологии. Компанией создана специальная платформа для E-Nose, названная Sensation, которая представляет собой чип с площадью 2 мм2. Она содержит ряд наносенсоров для распознавания молекул и может быть интегрирована с устройствами более высокого уровня (например, компьютером или отдельным микропроцессором).

Наносенсоры представляют собой углеродные нанотрубки. Подобный принцип детекции молекул с помощью нанотрубок предлагали Ральф Меркле и Эрик Дрекслер еще в 1998 году. Теперь же предсказанные и рассчитанные ими устройства-сенсоры выходят на рынок. Примеси, которыми можно снабдить нанотрубки, позволяют определять различные типы молекул, а также микроорганизмы.

Основное предназначение Sensation — слежение за уровнем СО2 в медицине. Это позволит определить сразу же, правильно ли сделана интубация. При этом модуль можно поместить непосредственно в трахею больного.

Чип-пластина "электронного носа" из 2200 ячеек-анализаторов Sensation

«То, что раньше можно было сделать и проверить только в больнице, с помощью Sensation может сделать водитель скорой непосредственно на вызове», — поясняет г-н Макдональд. Для работы Sensation требуется только одна обычная пальчиковая батарейка. Готовое медицинское устройство индикации уровня углекислоты, по оценкам специалистов, будет стоить до $20.
Наносенсоры на службе безопасности
Новый европейский проект призван улучшить безопасность путешественников, использующих европейские аэропорты и другие публичные места.

В рамках проекта будут разработаны сенсоры, способные детектировать широкий спектр токсичных веществ, которые могут быть использованы во время химических или биологических террористических атак. Система также обеспечит быстрое предупреждение о присутствии взрывчатых веществ и, в случае токсичных веществ, переносимых по воздуху, будет способна произвести очистку воздуха.

Проект базируется на технологии наноразмерных биосенсоров, недавно разработанной в университете Бангора. Система способна обнаруживать взрывчатые вещества, детектируя присутствие летучих частиц, выделяемых этими веществами. Бангорский университет – один из 26 партнеров, работающих над этой проблемой. Оригинальная концепция принадлежит профессору университета Maher Kalaji, и заключается в использовании генетически модифицированных ферментов.

“Нанотехнологии предлагают новые возможности для развития того, что уже существует. Мы можем создать систему, которая постоянно контролирует воздух на предмет содержания ряда веществ. Основная концепция существует, мы, совместно с партнерами, хотим расширить спектр веществ, которые можно детектировать, а также осуществлять детоксикацию воздуха,”- объясняет проф. Kalaji.



Наносенсоры внутри астронавтов
NASA хочет кое-что разместить внутри своих астронавтов. Причём это "кое-что" настолько крошечное, что будет находиться в живых клетках покорителей космоса. И тогда клетки астронавтов будут предупреждать своих хозяев о том, что их здоровье в опасности. Для этого нужны лишь биосенсоры размером с молекулу.

А ведь действительно, как хорошо бы было, если б клетки нашего организма сигнализировали о заболевании до появления видимых его признаков. К примеру, микроскопическая опухоль, едва начавшая расти, в принципе безопасна — только вот мы о ней не знаем, клетки молчат.

Вот аэрокосмическое агентство США и предложило учёным разговорить их с помощью нанотехнологий.

Вкратце идея звучит просто: наночастицы-датчики внедряются внутрь клеток и при появлении признаков неприятностей, например, вторжении вируса, начинают светиться — этот сигнал улавливают приборы.

Разумеется, на финансирование этих исследований NASA сподвиг не интерес к здравоохранению в целом, а решение собственной проблемы – необходимостью борьбы с космической радиацией, одним из главных препятствий на пути осуществления пилотируемой миссии на Марс.

Абсолютной защиты астронавтов от излучения во время 6-месячного путешествия на Красную планету придумать пока не удалось. Однако поиск способов контроля, предотвращения и восстановления после воздействия радиации ведётся усиленно.

Недавно грант от NASA был получен Центром биологической нанотехнологии университета Мичигана (Center for Biologic Nanotechnology — CBN), директор которого Джеймс Бейкер (James Baker) считает, что наночастицы — это как раз то, что нужно.

Руководитель группы создателей биосенсоров Джеймс Бейкер (фото с сайта nano.med.umich.edu).

В идеале "наноборьба" с космическим излучением будет вестись так. Перед стартом астронавт использует шприц для подкожных инъекций, чтобы ввести в кровоток прозрачную жидкость, насыщенную миллионами наночастиц.

На время полёта он вставляет в своё ухо маленькое устройство, наподобие слухового аппарата. В течение миссии приборчик использует крошечный лазер для поиска светящихся тревожным светом клеток — это становится возможным, поскольку клетки "текут" по капиллярам барабанной перепонки.

По беспроводной связи данные мониторинга клеток передаются на главный компьютер космического корабля для последующей обработки. Чуть что – и принимаются меры.

Вышеописанный сценарий может воплотиться в жизнь, по крайней мере, через 5-10 лет, но некоторые детали уже сегодня обретают форму в лаборатории CBN.

Так, в самих наночастицах для учёных нет ничего нового, они используют их уже более 5 лет и успешно экспериментируют с ними на животных.

Специфический вид наночастиц, который используют Бейкер и его коллеги напоминает перекати-поле — это шарообразная связка "прутиков", растущих из центральной точки. Учёные называют эти инертные частицы "dendrimers", так как основаны они на древовидных полимерах.

Они служат платформой для строительства биосенсора. Свободные концы прутиков обеспечивают для желающих закрепиться молекул 128 мест.

Эти молекулы, обнаруживая признаки лучевого повреждения, и выкидывают флуоресцентный "красный флаг". То есть получается такой 128-молекульный индикатор.

Наночастица, она же — перекати-поле, будет постепенно выстраиваться вокруг ядра (иллюстрация с сайта physorg.com).

Только вот учёные хотят, чтобы к перекати-поле присоединялись наиболее полезные молекулы, а сами биосенсоры попадали в клетки, особенно чувствительные к радиации. Группа Бейкера в этом смысле нацеливается на белые кровяные клетки — лимфоциты.

Однако, находясь в них, наночастицы должны иметь возможность передать сигнал о повреждениях, так сказать, во внешний мир.

Один из путей состоит в том, чтобы наблюдать за приготовлениями клетки к самоликвидации, ведь лимфоциты действительно совершают самоубийство (апоптозис), когда повреждены радиацией.

Исследователи обнаружили, что можно приложить к наносенсору флуоресцентно окрашенную молекулу, которая реагирует на "ферменты самоубийства". Таким образом, суицидальные лимфоциты могут светиться.

Но ведь и "пылающие" клетки тоже нужно суметь заметить. Специально разработанная лазерная система уже показала, что может идентифицировать тревожные сигналы в кровотоке мыши, когда клетки проходят через капилляры в её ухе.

Тем не менее, говорить о применимости технологии в её нынешнем виде для космической миссии пока ещё слишком рано. Для астронавтов, возможно, нужно будет объединить микролазер с подобным слуховому аппарату прибором.

Тогда и удастся осуществлять контроль над клетками в кровотоке астронавта в реальном времени, и никакого другого оборудования для этого не потребуется.


Квантовые наносенсоры для анализа последовательностей ДНК

Новая методика обнаружения и идентификации образцов ДНК, разработанная исследователями университета Джонса Хопкинса, сверхчувствительна, относительно проста и не требует больших затрат времени, что выгодно отличает ее от традиционных методов.

В качестве ДНК-сенсора в новом методе используются <квантовые крупицы> - крошечные полупроводниковые кристаллы, не превышающие нескольких нанометров в диаметре. При попадании луча лазера на такой кристалл он передает поглощаемую энергию близлежащим молекулам, которые при этом флуоресцируют, что делает их видимыми.

В качестве комплектующих ученые использовали также 2 синтетических ДНК-цепочки, комплементарных искомой последовательности. К одной из них прикреплялась флуоресцирующая молекула Cy5, ко второй – молекула биотина, способная соединяться с молекулами стрептавидина, покрывающими поверхность кристалла.

При помещении в пробирку, содержащую исследуемый образец, кристалла и 2-х цепочек ДНК происходят следующие процессы: ДНК цепочки прикрепляются к искомой молекуле, образуя <сэндвич>, биотин <приклеивает> сэндвич к кристаллу, который при попадании на него луча лазера заставляет Cy5 флуоресцировать, что регистрируется с помощью микроскопа.

Несмотря на то, что интенсивность флюоресценции очень мала, метод позволяет надежно регистрировать его при ничтожном количестве целевой ДНК в пробе – 50 и менее копий. В испытаниях сенсор позволил, в частности, обнаружить в образцах ткани точечную мутацию, типичную для некоторых видов рака яичников.

Практическое использование метода позволит проводить раннюю диагностику рака у людей, гены которых несут опасные мутации, что существенно облегчит проведение и улучшит результаты терапии.

Миниатюрные нанопроволочные датчики "учатся" решать все новые и новые задачи в области биологии.

И
дея полупроводникового нанопроволочного сенсора очень проста – сопротивление цилиндрика из полупроводника (например, p - Si с диаметров 10 - 50 нм) чрезвычайно сильно зависит от того, сколько и каких заряженных частиц осело на поверхность плёнки SiOx, неизбежно формируемой на кремниевой нанопроволоке на воздухе. Химики уже давно научились таким образом "очувствлять" (или, в терминологии химиков, "функционализировать") поверхность SiO2, что после обработки на неё адсорбируется только то, что нужно, а что не нужно – не прилипает. К примеру, простейший сенсор – это тот, который реагирует на рН (кислотность) среды. У чистой воды рН = 7, а у воды "нечистой" pH отличается от 7. Что за вещества (кислоты или щелочи) и в каком количестве содержатся в воде, можно определить по отклонению рН от семёрки.

Схема действия нанопроволочного pH-метра.

Если поверхность кремниевого нанопроволочного сенсора (с двумя омическими контактами по краям) покрыть 3-аминопропил-этоксисиланом (АПТЭС), то мы получим сверхминиатюрный рН - датчик (см. рис.1). Дело в том, что АПТЭС покрывает поверхность SiO2 плёнкой толщиной всего в один монослой (так называемый самоорганизованный монослой) с торчащими наружу группами NH2. В зависимости от кислотности среды эти группы могут или отдавать один протон или, наоборот, присоединять его из раствора, т.е. заряжаться, что незамедлительно сказывается на кондактансе ( I/U ) сенсора. Причём при каждом изменении кислотности среды наносенсор скачком меняет своё сопротивление.

Н
анонопроволчный сенсор для белков: а) наглядная схема – модифицированная кремниевая нанопроволока (слева) и присоединенный к ней стрептовидин (справа); b) изменение кондактанса при адсорбции 250 нМ стрептовидина на функционализированную SiOx- оболочку кремниевой нанопроволоки из n -фемтомолярного раствора (n > 10) протеина; с) немодифицированная кремниевая нанопроволока: нет протеина – нет и реакции; d) при пропускании над сенсором буферного раствора; e ) при адсорбции 25 нМ стрептовидина ( n =10).


Если нужно детектировать не просто кислотность, а конкретный белок (например, стрептовидин), то поверхность нанопроволочного сенсора следует покрыть бычьим альбумином, меченным биотинамидокапроилом, который является селективным рецептором для стрептовидина. А дальше можно действовать по той же схеме. Присевший на функционализированную поверхность SiO2 стрептовидин меняет заряд на этой поверхности, а значит и кондактанс нанопроволоки. Поэтому для определения этого конкретного протеина помимо наносенсора достаточно иметь батарейку, вольтметр и амперметр.
Подобные нанопроволочные сенсоры можно использовать для детектирования множества жизненно важных веществ и соединений. Например, метаболические процессы (деление-рост-развитие) в любых клетках человека напрямую зависят от концентрации двухвалентных ионов кальция (Ca2+), которые входят в состав оболочки любой клетки. Кремниевые нанопроволоки способны прекрасно реагировать на концентрацию этого жизненно важного иона. Одним из важнейших объектов в биологии является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), в двойной спирали которой посредством всего четырёх оснований (аденин, тимин, гуанин и цитозин) записан генетический код живых организмов. Сенсор, который может детектировать последовательность этих оснований в ДНК, это, возможно, наиболее важный для медицины сенсор. Кремниевые нанопроволоки с успехом справляются и с такой задачей. Наконец, нолезны кремниевые нанопроволоки и при диагностике вирусных заболеваний. Так креминиевый наносенсор даёт вполне измеримый сигнал даже, если на него попал всего один вирус гриппа A.
С
хема детектирования одиночного вируса. Показаны два нанопроволочных прибора (1 и 2), модифицированные различными рецепторами. Дальняя (красная) НП «очувствлена» для захвата вируса гриппа А, а ближняя (синяя)– нет. Графики справа показывают, как Si-НП реагируют на адсорбцию и десорбцию одиночного вируса.
Размеры наносенсоров таковы, что несложно создать многофункциональные датчики, сочетающие множество отдельных сенсоров, настроенных на определенные типы возбудителей заболеваний, "в одном флаконе". Поскольку речь идёт о нанопроволоках, то 1000 -10000 таких сенсоров могут разместиться (вместе с контактами, которые, на самом деле и занимают наибольшую площадь) в устройстве размером со спичечную головку. Далее на мультинанопроволочный сенсор помещается капля крови (или пота, или слюны, или мочи) и через секунду компьютер бесстрастно расскажет о попавших в организм возмутителях спокойствия. Это вполне обозримое будущее полупроводниковой нанопроволочной сенсорики; по некоторым прогнозам к 2010 году рынок нанотехнологических изделий только для биомедицинских применений составит 3.4 млрд. долл.
Источники:


  1. http://www.nanometer.ru

  2. http://www.membrana.ru

  3. http://www.cnews.ru

  4. http://www.inscience.ru




База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница