работа Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова физический факультет кафедра физики полимеров и кристаллов Студента 4 курса Колесова Дмитрия Валерьевича Создание полимерных кантилеверов для химических и биологических сенсоров на их основе. Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Яминский И. В. Москва, 2006 Содержание. 1. Введение. 3 2. Литературный обзор. 5 A. Общие принципы работы сенсоров. 5 B. Полимерные кантилеверы и сенсоры на их основе. 7 3. Экспериментальная часть. 11 A. Метод создания тонких полимерных плёнок 11 B. Исследование резонанса кантилеверов из тонких 13 полимерных плёнок. C. Создания газового сенсора на основе ПЭГ и 16 полимерного кантилевера. D. Точность определения отклонения кантилевера. 17 Шумы лазера. 4. Выводы. 19 5. Список литературы. 20 1. Введение. Сканирующая зондовая микроскопия, и в частности атомно-силовая микроскопия – это мощный инструмент изучения поверхностей исследуемых объектов. Но это не единственное её применение. На основе атомно-силового микроскопа создан целый ряд химических и биологических сенсоров. Обязательным элементом таких сенсоров является кантилевер с модифицированной поверхностью или даже целый набор таких кантилеверов. Кантилевер обычно представляет собой зонд в виде иголочки, выращенной на конце прямоугольной балки, и используется в АСМ. Но для сенсоров необязательно наличие на конце острого зонда. 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 статическом режиме наличие детектируемого вещества определяется по отклонению кантилевера. Общий принцип работы статических сенсоров заключается в следующем. В результате взаимодействия модифицированной поверхности кантилевера и детектируемого вещества, возникает разность сил поверхностного натяжения на противоположных сторонах кантилевера. Под действием этой разности кантилевер изгибается. Его отклонение может фиксироваться при помощи оптической системы. Механизм появления дополнительных сил поверхностного натяжения может быть разный. В данной работе изучались сенсоры, основанные на набухании полимерных соединений. Разность сил поверхностного натяжения возникает за счёт набухания модификатора в парах детектируемого вещества. Также изучались сенсоры, в которых поверхностное натяжение появлялось в результате электростатического отталкивания между молекулами адсорбированного вещества. Материалом для создания кантилеверов АСМ обычно служит кремний. Целью данной работы являлось создание новых и изучение уже существующих методов изготовления кантилеверов из тонких полимерных плёнок. Также изучались их свойства и применимость для создания химических и биологических сенсоров на их основе. Основными целями работы являются: 1. изучение принципов создания химических и биологических сенсоров. 2. создание полимерных кантилеверов. 3. создание сенсоров на их основе. 4. в перспективе, создание “электронного носа” с использованием полимерных кантилеверов. 2. Литературный обзор. 2.А. Общие принципы работы сенсоров. В последнее время проводится много экспериментов по разработке и созданию химических сенсоров. 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.). До конца 1980-х основными типам датчиков были а) температурные б) массовые Рис.2.1. Принцип работы сенсора. Из статьи [1]. в) электрохимические и г) оптические [1,2]. Все эти способы детектирования основаны на свойствах скорее дополняющих друг друга, чем противоположных, поэтому вёлся поиск “идеального датчика”. В последние два десятилетия достижения в области микроэлектромеханических систем (МЭМС) вызвали развитие сенсоров, в которых происходит преобразование механической энергии и основанных в основном на механических явлениях. Разработка микрокантилеверов для атомно-силовой микроскопии явилась основой технологии сенсоров на МЭМС. 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. Такая деформация чаще всего возникает в результате действия сил поверхностного натяжения, которые возникают при адсорбции молекул на поверхности. Когда монослой молекул прикрепляется к одной стороне кантилевера, происходит отклонение кантилевера в результате разности поверхностного натяжения на противоположных сторонах кантилевера [3]. Величина отклонения определяется формулой Стоуни [1,3]: , (1) где E – модуль Юнга материала кантилевера, n - коэффициент Пуассона материала кантилевера, t и L – толщина и длина кантилевера, s 1 и s 2 – коэффициенты поверхностного натяжения на верхней и нижней поверхностях кантилевера. Регистрация отклонения кантилевера от положения равновесия часто служит оптическая система. Она состоит из лазера, луч которого, отражаясь от кантилевера, попадает на обычно четырех секционный фотодиод. При отклонении кантилевера луч будет перемещаться по фотодиоду, что собственно и может быть зафиксировано (Рис.2.2) [1,4]. Рис.2.2. Принцип регистрации отклонения кантилевера при помощи оптической системы. Из статьи [1] Часто в качестве сенсоров используют не один кантилевер, а целый набор (массив) кантилеверов прикреплённых к общему основанию [2,3,4,5] (рис.3.). Их может быть 8 как в [4,5] или больше как в [3]. Различные кантилеверы модифицируются различными химически или биологически чувствительными слоями или не модифицируются вовсе. В газовой среде такие наборы могут быть использованы для создания “искусственного носа” определяющего летучие пары и запахи [4,5]. Пример простейшего “электронного носа” различающего пары воды и этанола описан в [5]. Для его создания использовался массив из восьми кремниевых кантилеверов длиной 500 мкм, шириной 100 мкм и толщиной 0.5-1 мкм. В качестве чувствительных слоёв были выбраны 8 различных полимеров содержащие различные полярные группы (табл.1). Одна поверхность каждого кантилевера была покрыта тонкой плёнкой одного из полимеров. В парах воды наблюдался отклик всех восьми кантилеверов, в то время как в парах этанола – только кантилеверов покрытых ПЭГ, ПЭИ, ПВП и ПММА. Отклонение кантилеверов вызывается набуханием полимеров на поверхности кантилевера. 2.Б. Полимерные кантилеверы и сенсоры на их основе. 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 последнее время проводится много экспериментов по созданию кантилеверов из полимеров [2,3,6]. Техника создания таких датчиков из полимеров отработана ещё не так хорошо как из кремния. Поэтому предлагаются разные методы. В статье [2] авторы делали кантилеверы из 6-микрометровой плёнки полиэтилентерафталата. Пластинки необходимой формы вырезались при помощи ультрафиолетового лазера. В итоге получился массив из трёх кантилеверов длинной 600мкм, шириной 250 мкм и толщиной 6 мкм (Рис.2.3). Рис.2.3. Изображение массива из трёх кантилеверов изготовленного из полиэтилентерафталата с размерами балок 250х600х6 мкм. Из статьи [2]. В качестве демонстрации использования таких кантилеверов был создан биосенсор для регистрации одноцепочечной ДНК. Для этого одна сторона кантилевера покрывалась тонким, 50 нанометровым слоем золота, на который прикреплялась ДНК комплиментарная к детектируемой. В эксперименте удалось обнаружить концентрации ДНК до 0.1 мкМ в объёме 0.2 мл, что является очень хорошим результатом. В другой работе [3] в качестве материала для кантилеверов использовался полимерный материал SU-8. Изготовление кантилеверов производилось методом последовательного нанесения и частичного удаления слоёв нескольких химических веществ: Cr, Si, Au, SU-8, Az-resist. Необходимая форма придавалась, как и в предыдущей статье, при помощи вырезания из плёнки Рис.2.4. Набор из 17 кантилеверов длиной 100 мкм изготовленных из SU-8. Из статьи [3]. ультрафиолетовым лазером. 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). Такие наборы были опробованы в статическом режиме для наблюдения адсорбции модифицированной тиолами одноцепочечной ДНК на золото. При впрыскивании 20 мл двухмикромолярного раствора такой ДНК, кантилевер изгибался по мере образования самоорганизующегося монослоя. Это показывает, то хемисорбция ДНК вызвала изменение поверхностного натяжения. Таким образом, такие кантилеверы можно использовать в качестве сенсоров. Для сравнения был проведён такой же эксперимент для обычного кантилевера из нитрида кремния. При тех же концентрациях веществ отклонение оказалось в шесть раз меньше. Ещё в одной работе [6] авторы изготавливали кантилеверы из тонкой полистирольной плёнки. Плёнка была получена методом капанья раствора. Раствор полистирола в диметил бензоле наносился тонким слоем на поверхность стекла при помощи пипетки, высушивался и, полученная плёнка отделялась от подложки. Затем из полученной плёнки при помощи лезвия вырезался кантилевер (Рис.2.5). Толщину плёнки, а значит и кантилевера Рис.2.5. Кантилевер из полистирола. Из статьи [6]. можно варьировать, изменяя концентрацию полистирола. В работе измерялись различные параметры полученных кантилеверов. Необходимость модифицировать микро поверхности приводит к потребности разработки методики такого модифицирования. Существует несколько способов. Одним из них является капиллярная функциализация. В этом случае кантилевер вносится в открытый конец капилляра, заполненного раствором наносимого вещества [5]. Другой способ называется inkjet printing. В этом методе необходимое вещество наносится при помощи микропипетки прямо на поверхность кантилевера [5]. 3. Экспериментальная часть. 3. A . Метод создания тонких полимерных плёнок. Несмотря на то, что производство кремниевых кантилеверов сейчас хорошо развито, они остаются высокотехнологичным и поэтому довольно дорогим продуктом. При этом в качестве сенсоров они обычно используются только один раз. Поэтому важной представляется разработка метода создания кантилеверов из тонких полимерных плёнок. В связи с широким распространением полимеров стоимость таких кантилеверов будет значительно ниже, а физические свойства полимерных плёнок позволяют им быть более чувствительными сенсорами, чем кремниевые. Для этого сначала необходимо было научится производить плёнки толщиной несколько микрометров. Существуют несколько способов получения таких плёнок. Основными способами можно назвать центрифугирование и отливание. Суть первого метода состоит в следующем. На вращающуюся подложку сверху капается раствор полимера. Под действием центробежной силы раствор ровным слоем распределяется по поверхности. После испарения растворителя, которое происходит очень быстро, благодаря вращению, на подложке остаётся тонкая плёнка. В другом методе раствор полимера капается на воду или, например, на полиэтилен. Капля растекается, превращаясь в тонкий слой. После испарения растворителя на поверхности воды, полиэтилена или другой подложки остаётся тонкая плёнка. Вода и полиэтилен используются чаще всего, так как от них легко можно отделить полученную плёнку. В данной работе использовался второй метод. В качестве материала для производства плёнок использовался полистирол. Он обладает подходящими механическими свойствами. Модуль Юнга полистирола ~3500 МПа, что в несколько десятков раз меньше, чем у кремния, плотность ~1,05 г/см3 . Небольшим препятствием является то, что светопроницаемость полистирола около 90%, поэтому для улучшения отражения на его поверхность необходимо напылять дополнительный отражающий слой, например, золотой. Такое напыление часто используется для улучшения отражающих свойств и обычных кремниевых кантилеверов. В качестве растворителя был выбран толуол. В качестве подложки использовалась натянутая полиэтиленовая плёнка. Вследствие того, что полистирол не является поверхностно-активным веществом, на поверхности воды он сморщивается. При помощи микролитровой пипетки капля 1%-ного раствора полистирола в толуоле объёмом порядка 2-2.5 мкл наносилась на полиэтиленовую плёнку. После испарения растворителя на полиэтилене оставалась плёнка, которая затем легко отделялась. Она имела форму круга диаметром от 2 до 5мм. Из-за действия сил поверхностного натяжения толщина плёнки оказывалась слегка неравномерной: на краях имелись утолщения. Однако средняя часть оказывалась довольно ровной. Именно из неё и делались кантилеверы. Толщина плёнки в средней части составляла около 2-3 мкм. Для изучения гладкости поверхности на нанометровом уровне и как следствие отражательных свойств было произведено исследование обоих сторон плёнки: стороны соприкасающейся при создании с полиэтиленом и стороны обращённой к воздуху. Для этого получены изображения сторон с помощью атомно-силового микроскопа. Полученные изображения приведены на рисунке 3.1. (1) (2) Рис.3.1 Атомно-силовое изображение поверхности полистирольной плёнки: к полиэтилену – 1; к воздуху – 2. Как видно из рисунка, сторона, обращенная к воздуху, имеет круглые углубления глубиной до 35 нм – видимо места выхода растворителя и трещины глубиной 100-130 нм. Обратная сторона имеет неровности поверхности порядка 100-200 нм. Таким образом, приходим к выводу, что, несмотря на относительно глубокие трещины, в качестве отражающей поверхности целесообразно использовать сторону плёнки, обращённую при отливке к воздуху и напылять золото на неё. Также, в качестве уже готовых плёнок для создания кантилеверов, использовались магнитная лента и плёнка от канцелярских файлов. Толщина магнитной плёнки около 30 мкм, плёнки от файла - ~5 мкм. 3. B . Исследование резонанса кантилеверов из тонких полимерных плёнок. Далее из полученных и имеющихся плёнок необходимо изготовить кантилевер. Первые варианты кантилеверов, представляли собой прямоугольные пластинки шириной 0.5-0.7мм и длинной несколько миллиметров. Они были вырезаны из плёнок при помощи обычного бритвенного лезвия. Затем эти пластинки устанавливались в держатель атомно-силового микроскопа. При помощи стандартного режима работы были определены резонансные частоты собственных колебаний кантилевера. Примеры резонансных кривых приведены на рисунке 3.2. На резонансных кривых видны несколько пиков. Один из них, обычно самый высокий определяет частоту собственных колебаний в плоскости параллельной длинной стороне кантилевера. Остальные пики могут появляться либо вследствие колебаний в других плоскостях и их гармоник, либо являться гармониками основного пика. 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 её в два раза и снова измерялась её частота. Как и предсказывала теория, частота увеличивалась в четыре раза. Добротность таких систем составляла от 10 до 100. Измерение Рис.3.2. Резонансные кривые полимерных пластинок из магнитной плёнки (внизу) и полистирола (вверху). резонансных характеристик очень важно для проверки возможности использования таких объектов в качестве кантилеверов. Возможно, в будущем, можно будет создавать сенсоры работающие не только в статическом режиме, но и в динамическом, т.е. фиксирующие изменение резонансной частоты. Для создания сенсоров и электронного носа кантилеверы были усовершенствованы. Необходимо было получить возможность создавать кантилеверы одинаковых, заданных размеров, а также научится делать наборы кантилеверов одинаковой ширины и длины, прикреплённых к общему основанию. Для решения этих задач была собрана простая установка (Рис.3.3). Рис.3.3. Установка для ручного вырезания кантилеверов. Она состоит из нескольких, соединённых друг с другом лезвий. Расстояние между режущими кромками лезвий определяет ширину кантилевера и может варьироваться. Количество лезвий определяет число кантилеверов в массиве. Этот набор лезвий жёстко закреплён на общей панели. Вся эта конструкция установлена на платформе, которая обеспечивает передвижение лезвий в трёх направлениях. Закрепление осуществлено так, что режущие кромки всех лезвий находятся на одном уровне и обращены вниз. Полимерная плёнка закрепляется на столике под лезвиями, которой может перемещаться параллельно лезвиям. При помощи этого приспособления можно вырезать из полимерной плёнки несколько параллельных полос одинаковой толщины. Удалив каждую вторую полосу и боковые, неразрезанные части, мы получим массив одинаковых кантилеверов на общем основании (Рис.3.4.). Пока изготавливались массивы только из двух кантилеверов из плёнки от канцелярского файла с золотым Рис.3.4. Изображение в оптическом микроскопе набора из двух кантилеверов изготовленных из полимерной плёнки с золотым напылением. напылением. Размеры каждого кантилевера составили ~1500х350х3 мкм. Их резонансные характеристики также изучались. На рисунке 3.5 приведены резонансные кривые для обоих балок. Можно видеть, что положение максимумов совпадают. Это может свидетельствовать о совпадении характеристик обоих кантилевера массива. Добротность составила от 10 до нескольких десятков. Рис.3.5. Резонансные кривые обоих балок полимерного кантилевера. 3. C . Создания газового сенсора на основе ПЭГ и полимерного кантилевера. Для проверки возможности использования кантилеверов созданных описанным выше способом в качестве сенсоров, была предпринята попытка создать датчик, реагирующий на пары этанола. Для этого одна поверхность кантилевера была модифицирована полиэтиленгликолем. Для этого на кантилевер был нанесён 2-процентный раствор ПЭГ в воде. После испарения растворителя, на одной поверхности кантилевера осталась тонкая полимерная плёнка. 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 отражённого от кантилевера луча лазера. После установления равновесия в область нахождения кантилевера при помощи обычного медицинского шприца были впрыснуты насыщенные пары этанола. На рисунке 3.6 представлена зависимость отклонения луча, а, следовательно, и кантилевера, от времени. Видно, что приблизительно через 10 секунд после начала эксперимента и примерно через 4-5 секунд после Рис.3.6. Зависимость отклонения кантилевера от времени в парах этанола. впрыскивания паров, наблюдается скачок, свидетельствующий об отклонении кантилевера. Таким образом, удалось детектировать появление паров этанола. Этот эксперимент можно считать первым шагом к созданию газовых сенсоров и “электронного носа” на базе полимерных кантилеверов. 3. D . Точность определения отклонения кантилевера. Шумы лазера. Для работы сенсоров в статическом режиме важным вопросом является точность измерения отклонения кантилевера. Она определяется уровнем тепловых шумов самого кантилевера, а также шумами оптической системы. Величину тепловых шумов кантилевера легко теоретически рассчитать по формулам: , где E - модуль Юнга материала кантилевера, l , w , h – длина, ширина и высота кантилевера, k – жёсткость кантилевера, kb – постоянная Больцмана, T – температура, A – отклонение кантилевера. Для полистирольной плёнки длиной 1000 мкм, шириной 300 мкм и толщиной 3 мкм они составят ~1нм. Экспериментальной проверки этих значений пока не проводилось, но планируется в ближайшем будущем. Шумы оптической системы появляются в связи с использованием лазера в качестве измерителя положения кантилевера. Во-первых, лазер может быть нестабилен по мощности. Интенсивность излучения лазера может слегка отклоняться от среднего, номинального значения. Так как чаще всего не центральная часть лазерного пучка отражается от кантилевера и, следовательно, попадает на фотодиод, то нестабильность может привести к изменению сигнала Deflection. Например, если часть пятна, попадающая на верхнюю половину фотодиода, находится ближе к центру гауссовского распределения интенсивности в пучке чем нижняя, то при небольшом увеличении мощности суммарная интенсивность на верхней половине фотодиода увеличится сильнее, чем на нижней. Это приведёт к увеличению сигнала Deflection и, как следствие, ложному срабатыванию обратной связи. Шум также может возникать в результате флуктуаций оси лазерного луча. Отклонение оси луча приводит к отклонению отражённого пятна на фотодиоде. При этом отклонение оси луча на 50 мкрад равносильно перемещению кантилевера с длинной балки 1 мм на ~20 нм по вертикали. Сигнал Deflection также может изменяться при флуктуациях размера пятна. Если часть пятна, попадающая на верхнюю часть фотодиода больше чем та, которая попадает на нижнюю, то при увеличении пятна, интенсивность, попадающая на верхнюю часть, увеличится сильнее, чем попадающая на нижнюю. Интенсивность пропорциональна площади пятна. В результате изменится разность интенсивностей верхней и нижней части, а, следовательно, и сигнал Deflection. Величина шумов оптической системы определяется, в основном, качеством лазера. В ближайшее время планируется экспериментально оценить погрешность, вносимую оптической системой. 4. Выводы и перспективы. Был изучен принцип действия сенсоров, на основе микрокантилеверов. Были изготовлены кантилеверы из полимерной плёнки с золотым напылением для создания более чувствительных сенсоров, а также “электронного носа” и получены их резонансные характеристики. Создан пробный сенсор с использованием этих кантилеверов. В будущем планируется усовершенствовать технику производства тонких плёнок с заданной толщиной. Также в перспективе создание полноценного газового сенсора и далее – “электронного носа”. Список литературы. [1] Nickolay V. Lavrik, Michael J. Sepaniak, Panos G. Datskos. Cantilever transducers as a platform for chemical and biological sensors. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 2004, №7, pp. 2229-2253. [2] X. Richard Zhang and Xianfan Xu. Development of a biosensor based on laser-fabricated polymer microcantilevers. Applied Physics Letters,2004, №12, pp. 2423-2425. [3] M. Calleja, M. NordstroЁ m, M. Alvarez, J. Tamayo, L.M. Lechuga, A. Boisen. Highly sensitive polymer-based cantilever-sensors for DNA detection. Ultramicroscopy, 2005, №105, pp. 215–222. [4] Hans Peter Lang, Martin Hegner, Christoph Gerber. Cantilever array sensors. Materials today, 2005, №8, pp. 30-36. [5] Alexander Bietsch, Jiayun Zhang, Martin Hegner, Hans Peter Lang and Christoph Gerber. Rapid functionalization of cantilever array sensors by inkjet printing. Nanotechnology, 2004, №15, pp. 873–880.