Молекулы ДНК в комплексе с нанотрубками дают жизнь новым датчикам
 Изображение датчика, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа. Отчетливо видны нанотрубки, размещенные на поверхности CMOS-чипа. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Наблюдение в реальном времени за процессами, происходящими в окружающей среде, - чрезвычайно важная задача, порой, граничащая с вопросами выживания человеческой расы на земле. Понимание глобальных тенденций, особенно в вопросах загрязнения воздуха, необходимо для сохранения мира таким, каким мы привыкли его видеть. А выполнение этой работы требует создания миниатюрных, но, в то же время, производительных и чувствительных сенсоров, с помощью которых можно фиксировать изменение химического состава атмосферы.
Углеродные нанотрубки, представляющие собой «свернутую» в цилиндр двумерную гексагональную кристаллическую структуру, благодаря своей геометрии могут быть хорошим материалом для создания подобных датчиков. Трубка имеет достаточно высокое отношение площади поверхности к объему вещества, т.е. казалось бы, нельзя придумать лучшей основы для системы типа «электронного носа». Однако, на практике до сих пор создаваемые на их основе нанодатчики оказывались достаточно громоздкими, дорогими и требовательными к потребляемой мощности.
Главный недостаток систем, создававшихся до сегодняшнего дня, заключается в самом принципе их построения: согласно конструкции, для фиксирования результата необходимы внешние модули измерения, распознавания и обработки сигналов. Отдельные модули соединяются между собой достаточно длинными проводами, которые неизбежно испытывают воздействие как внешних полей, так и полей самой установки, т.е. порождают паразитные шумы. Кроме того, такой принцип построения автоматически ограничивает количество сенсоров, которые могут быть установлены на одном чипе.
Очевидно, что разработка наносенсора, целиком размещенного на одном единственном чипе, открыла бы огромные возможности по реализации миниатюризированных, но высокоэффективных нанодатчиков будущего. Интеграция сенсора в чип позволила бы выполнять обнаружение, усиление и обработку сигнала прямо на однокристальной схеме. И, похоже, научный мир сделал первый шаг в этом направлении. Исследователи из Northeastern University (Бостон, США) предложили способ создания миниатюрных химических датчиков на CMOS-чипе (построенном по технологии металл-оксид-полупроводник), совмещая полезные свойства углеродных нанотрубок с одноцепочечными молекулами ДНК.
Команда смогла разместить нанотрубки на поверхности чипа при помощи низковольтового электрического поля, позволяющего выполнить эту работу без повреждения самого чипа. После этого нанотрубки были «декорированы» молекулами ДНК, использующими для закрепления на поверхности нековалентные связи. Нанотрубки дают возможность системе быть достаточно чувствительной даже к малым концентрациям летучих газов. Кроме того, они обеспечивают достаточно быструю реакцию и возможность повторного использования сенсора. А недостаточная селективность такого датчика исправлена за счет использования одноцепочечных молекул ДНК.
Эксперименты показали, что наличие молекул ДНК увеличивает чувствительность датчика примерно на 300 %. К слову, газ, фиксируемый этим наноприбором, можно варьировать соответствующим выбором типа молекулы.
Подход, предложенный исследовательской группой, определенно найдет свое применение в экологии, а также других отраслях науки и техники.
Также по теме:
- Нанотрубки в качестве химических датчиков
- Серия экспериментов молдавских ученых позволит расширить применение нанотрубок
Источники: