Badania i właściwości czujników biochemicznych na bazie

Badania i właściwości czujników biochemicznych na bazie macierzy
mikrodźwigni sprężystych
Konrad Nieradka
W rozprawie opisano wyniki prac badawczych nad czujnikami mikromechanicznymi
na bazie mikrodźwigni sprężystych, z uwzględnieniem optycznego systemu pomiarowego,
oraz ich zastosowaniem do detekcji endotoksyn bakterii Gram-ujemnych.
Czujniki mikrodźwigniowe mają postać belki o przekroju prostokątnym, jednostronnie
zamocowanej, o wymiarach w zakresie mikrometrów, wykonanej najczęściej techniką
głębokiej obróbki krzemu. Wysoki stosunek powierzchni do objętości (masy) w połączeniu ze
sprężystością takich czujników sprawia, że mogą one posłużyć do wykrywania i pomiaru
bardzo małych mas, sił i naprężeń powierzchniowych.
We wstępie pracy opisano konstrukcję czujników, tryby ich pracy oraz wyprowadzono
matematyczny model, opisujący ich właściwości. Następnie przybliżono wybraną metodę
pomiaru ruchu mikrodźwigni – metodę OBD (ang. optical beam deflection – ugięcie wiązki
świetlnej). Przeprowadzono rozważania matematyczne nad jej czułością i rozdzielczością.
Omówiono też stosowane warstwy sensorowe.
Część badawczą pracy podzielono na dwa rozdziały. W pierwszym z nich
przedstawiono opracowaną przez autora unikalną konstrukcję optycznego systemu
odczytowego dla macierzy czujników mikrodźwigniowych, z pojedynczą i stacjonarną
wiązką świetlną – EBD (ang. expanded beam deflection – ugięcie rozszerzonej wiązki).
System ten umożliwia jednoczesny pomiar uginania i skręcania oraz drgań giętych i skrętnych
do 8 czujników w macierzy. Gazowo-cieczowa celka przepływowa, wykonana
z biokompatybilnego materiału PEEK (ang. polyether ether ketone – polietereteroketon)
umożliwia prowadzenie pomiarów biochemicznych zarówno w środowisku gazowymi, jak
i cieczowym.
Wbudowane
elektrody
pozwalają
na
połączenie
pomiarów
mikromechanicznych z dobrze rozpoznanymi technikami elektrochemicznymi.
Zaprezentowano wyniki pomiaru właściwości skonstruowanego systemu, takich jak czułość
i rozdzielczość.
W drugim rozdziale części badawczej zaprezentowano wyniki pomiarów w gazach i
cieczach za pomocą skonstruowanego systemu. Przeprowadzono pomiary wilgotności
powietrza, gęstości i lepkości cieczy, detekcję grup aromatycznych i nitrowych oraz jonów
metali alkalicznych. W czasie rzeczywistym obserwowano samoorganizację monowarstw
molekularnych na powierzchni czujnika. Zademonstrowano jednoczesny pomiar
mikromechaniczny i woltamperometryczny. Opisano wyniki badań nad funkcjonalizacją złota
i tlenku krzemu dla potrzeb wytwarzania warstw receptorowych i blokujących.
Zademonstrowano obserwację tworzenia się wiązania biotyna-awidyna. Dokonano detekcji
endotoksyny bakterii Hafnia alvei z rozróżnieniem dwóch blisko spokrewnionych szczepów –
1185 i 1186. Ostatni wynik był pierwszym w świecie zademonstrowaniem zastosowania
czujników mikrodźwigniowych do detekcji endotoksyn bakterii Gram-ujemnych.
Measurements and properties of biochemical sensors based on
micromechanical cantilevers
Konrad Nieradka
This dissertation describes the results of research on cantilever-based micromechanical
sensors with optical readout system and their application to detection of Gram-negative
bacteria endotoxins.
The microcantilever sensors have a form of a rectangular cross-section beams fixed at
one end, of micrometer range dimensions, made usually using deep silicon micromachining
methods. Their high surface to volume (mass) ratio in conjunction with their elasticity make it
possible to use them to detect and measure minute masses, forces, and surface stress.
In the introduction the construction of the sensors, their modes of operation, and
derivation of the mathematical model of their properties are described. Further, the chosen
readout method – OBD (optical beam deflection) – is introduced. The mathematical
considerations on its sensitivity and resolution are conducted. The commonly used sensing
layers are also discussed.
The experimental part has been divided into two chapters. In the first one the author’s
unique construction of a microcantilever array optical readout system with a single and
stationary optical beam – EBD (expanded beam deflection) – is presented. The system
enables simultaneous measurement of bending and twisting, as well as flexural and torsional
vibrations of up to 8 sensors in an array. The gas-liquid flow cell made of biocompatible
PEEK (polyether ether ketone) enables conducting biochemical measurements in gaseous and
liquid environments. The built-in electrodes allow for combining micromechanical
measurements with well established electrochemical methods. The results of measurements of
the system’s performance, including sensitivity and resolution, are presented.
In the second experimental chapter the results of measurements in gasses and liquids
with the system built are presented. Measurements of air relative humidity, liquid density and
viscosity, detection of aromatic and nitrous groups and alkaline metal ions were conducted.
The process of molecular self-assembly on the surface of the sensor was observed in realtime. A simultaneous measurement using micromechanical and voltammetric methods was
demonstrated. The results of research on functionalization of gold and silicon oxide surfaces
to create receptor and blocking layers were described. An observation of biotin-avidin bond
creation was observed. A detection of a Hafnia alvei bacteria endotoxins with recognition of
its two closely related strains – 1185 and 1186 – was demonstrated. The last result was the
first demonstrated application of a microcantilever sensor to detection of Gram-negative
bacteria endotoxins in the world.