Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
(d33). Пьезоэлектрические слои нередко наносят на не обладающие такими
свойствами материалы для получения сдвиговых пластин (например, d13 для
обеспечения напряжений в плоскости x-z). Для достижения изгиба слоистые
(мультиморфные) пьезоэлектрические материалы располагают последовательно
или параллельно. Более того, при изготовлении пьезоэлектрических
материалов можно изменять относительные значения их электрических,
механических и электромеханических параметров в соответствии с
требованиями для различных приложений. Следовательно, необходимо уделять
особое внимание выбору соответствующего пьезоэлектрика для любой области
приложения. Аналогично при установке пьезоэлектрических преобразователей
в замкнутые зонды следует обращать внимание на конструкцию зонда (см.,
например, [55]). Структура и свойства базового материала и материалов,
отделяющих преобразователь от исследуемой внешней среды, также
существенно влияют на характеристики зонда [5, 6, 78, 82].
28.3. Биосенсорные устройства с пьезоэлектрическими преобразователями
Несмотря на широкий выбор пьезоэлектрических материалов, позволяющий
варьировать принцип метода измерения, фактически все известные примеры
использования пьезоэлектрических преобразователей в сенсорных устройствах
сводятся к использованию осциллирующих кварцевых кристаллов со
специальным покрытием для детектирования изменений поверхностных масс
(гравиметрические сенсоры). Этот принцип широко применяют для газофазного
анализа и определения летучих веществ [1, 35], но его приложение к
измерениям в жидкой фазе остается проблематичным.
28.3.1. Принцип действия электрогравиметрических сенсоров
Для электрогравиметрических сенсоров используют, как правило, не
природные, а выращенные в промышленных условиях кварцевые кристаллы,
отличающиеся более высокой чистотой. Хотя резонансная частота
пьезоэлектрика определяется в основном толщиной преобразователя, для
подавления помех от гармоник и обертонов можно использовать специальные
кварцевые кристаллы с Y-срезом, осциллирующие в сдвиговом режиме.
Следует, однако, иметь в виду, что температурный коэффициент и
резонансная частота зависят также от угла вращения [56]. Минимальные
температурные коэффициенты имеют кристаллы со срезами АТ ( + 35°15') и ВТ
( - 49°00') [38, 56]. Хорошо изучены и другие рабочие характеристики
[38]. В большинстве электрогравиметрических сенсоров используют
кристаллы, срезанные с плоскости АТ, в виде тонких (10-15 мм) пластин или
дисков, прилагая электрическое поле по оси у. Такие преобразователи
осциллируют в режиме сдвига по толщине, параллельно основной оси, что
приводит к антимодальному смещению поверхностей [1, 35, 38]. Кристаллы
помещают в колебательный контур и с помощью обычной электронной техники
измеряют их резонансную частоту (рис. 28.4). Частота колебаний в данной
системе зависит от общей массы кристалла и его покрытия, как показано для
АТ-кристалла [76,
446
Глава 28
i?
FC
| MP |
FC_
Puc. 28.4. Схема типичного электро-гравиметрического сенсорного
анализатора, включающего стандартный (СТ) и рабочий (Ct) кристаллические
сенсоры, каждый из которых подключен к собственной колебательной цепи 60г
и О, соответственно) с измерителями частоты (FCr и FC, соответственно),
подсоединенными через интерфейс с общим микропроцессором (МР).
С<
f I
80]. Изменение резонансной частоты (А/) вследствие адсорбции
определяемого вещества можно рассчитать [76, 80] по формуле
А/ = -2,3-106/2
где /- частота колебаний кристалла, Гц; т- масса адсорбированного
вещества, г; А-площадь адсорбирующей или рабочей поверхности, см2. Оценки
по этой формуле показывают, что на основе выпускаемых в промышленном
масштабе кристаллов кварца можно создавать исключительно
высокочувствительные (~ 500-2500 Гц/мкг) сенсоры с пределами обнаружения
порядка нескольких пикограммов.
28.3.2. Гравиметрические биосенсоры
В работах [48, 49] пьезоэлектрические кристаллы впервые использовали в
качестве детекторов в газовой хроматографии. Дальнейшее развитие и
применение пьезоэлектрических кристаллов в аналитической химии описано в
превосходных обзорах [1, 35, 36, 40]: на кристаллы наносили покрытие из
соединений, селективно адсорбирующих определяемое вещество. Большая часть
исследований в этой области связана с детектированием газов (диоксида
серы, оксида углерода, хлористого водорода) или летучих веществ
(ароматических и алифатических углеводородов) и тем самым не представляет
интереса для биологии. Для нормальной работы гравиметрических сенсоров,
как правило, требуется, чтобы относительная влажность была низкой и
поддерживалась на постоянном уровне. Тем не менее сенсоры аммиака с
различными химическими, биохимическими и полимерными покрытиями [30, 41,
45, 46], а также сенсоры растворенного диоксида углерода с кристаллами,
покрытыми дидодецила-мином или диоктадециламином, вполне можно было бы
использовать для контроля ферментационных процессов [20, 22], отделив
