Боковое встряхивание нанорезонаторов сбрасывает примеси

Крошечные вибрирующие кремниевые резонаторы вызывают большой интерес в нанотехнологиях благодаря потенциальной способности обнаруживать бактерии, вирусы, ДНК и другие биологические молекулы.

Исследователи из Корнеллского университета продемонстрировали новый способ заставить эти резонаторы вибрировать "в плоскости" — то есть из стороны в сторону. Они показали, что это может выполнять жизненно важную функцию: стряхивать посторонние частицы, которые не должны быть обнаружены.

Исследование опубликовано в онлайн-версии журнала Nano Letters от 14 июля и в августовском печатном выпуске.

Типичный резонатор — это консоль: узкая полоска кремния длиной в несколько миллионных долей метра, которую можно заставить колебаться вверх-вниз, как трамплин после прыжка. В исследованиях, направленных на создание "лаборатории на чипе", группа профессора Гарольда Крейгхеда из Корнелла и другие ученые показали, что, присоединяя антитела к таким резонаторам, можно заставить патогены прикрепляться к ним. В наномасштабе даже добавление массы одной бактерии, вируса или крупной молекулы достаточно, чтобы измеримо изменить резонансную частоту колебаний консоли, сигнализируя о присутствии патогена.

Однако, как объяснил исследователь Корнеллского наноразмерного комплекса Б. Роб Илич, проблема в том, что в жидкости, помимо целевого патогена (например, E. coli), присутствуют и другие частицы, которые могут слабо адсорбироваться на детекторе электростатическими силами. Решение, по его словам, — заставить резонатор вибрировать из стороны в сторону. Это стряхнет слабо связанные материалы, в то время как то, что прочно связано с антителом, останется на месте.

Илич и коллеги создали консоли шириной около микрона (миллионной доли метра), длиной 5 или 10 микрон и толщиной 200 нанометров (миллиардных долей метра), подвешенные над пустым пространством глубиной около микрона. При накачке энергии от лазера или прикрепленной вибрирующей пьезоэлектрической кристаллической пластины консоли колебались вверх-вниз с резонансной частотой, зависящей от их размеров и массы.

Затем исследователи продемонстрировали, что движение в плоскости можно создать, воздействуя на основание консоли лазером, импульсы которого соответствуют резонансной частоте её колебаний в плоскости (отличной от частоты колебаний перпендикулярно плоскости). Для измерения движения в плоскости исследователи направляли другой лазер на свободный конец консоли и регистрировали прерывание луча при её движении из стороны в сторону.

Чтобы показать, что движение в плоскости может стряхивать нежелательные материалы с биосенсоров, исследователи нанесли полистирольные сферы диаметром от половины до одного микрона на массив консолей. Сферы, прикрепившиеся за счет электростатического притяжения, были удалены встряхиванием в плоскости. Но когда консоли заставляли вибрировать более интенсивно вверх-вниз — вплоть до ударов о "пол" под ними — сферы не сдвигались с места, как и при вращении всего чипа.

Илич добавил, что колебания в плоскости также можно использовать для определения силы связывания частиц с поверхностью, наблюдая, насколько сильно их нужно встряхнуть, чтобы они отделились. Возможность возбуждать движение в плоскости также имеет применение при создании наноразмерных гироскопов, в нанооптике и для фундаментальных физических экспериментов.

Источник: Корнеллский университет