Боковые колебания нанорезонаторов сбрасывают 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 колебаться «в плоскости» — то есть из стороны в сторону. Они показали, что это может выполнять жизненно важную функцию: сбрасывать посторонние частицы, которые не должны обнаруживаться.

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

Типичный резонатор представляет собой кантилевер — узкую полоску кремния длиной в несколько миллионных долей метра, которую можно заставить колебаться вверх-вниз, как трамплин после прыжка. В исследованиях, направленных на создание столь желанной «лаборатории на чипе», группа профессора Гарольда Крейгхеда из Корнелла и другие ученые показали, что, связывая антитела с такими резонаторами, они могут заставить патогены прикрепляться к ним. В наномасштабе просто добавление массы одной бактерии, вируса или крупной молекулы достаточно, чтобы измеримо изменить резонансную частоту колебаний кантилевера, тем самым сигнализируя о присутствии патогена.

Но «если, например, вы пытаетесь обнаружить E. coli, в жидкости будет больше веществ, чем E. coli, и они могут слабо адсорбироваться на детекторе электростатическими силами. Это проблема для любого вида биодетекции», — пояснил Б. Роб Илич, исследователь из Cornell NanoScale Facility. Решение, по его словам, заключается в том, чтобы заставить резонатор колебаться из стороны в сторону. Это сбросит слабо прилипшие материалы, в то время как всё, что прочно связано с антителом, останется на месте.

Илич и коллеги изготовили кантилеверы 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. Когда энергия подавалась от лазера или прикрепленной вибрирующей пьезоэлектрической кристаллической пластины, кантилеверы колебались вверх-вниз с резонансной частотой, зависящей от их размеров и массы.

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

Чтобы показать, что движение в плоскости может стряхнуть нежелательные материалы с биосенсоров, исследователи нанесли полистирольные сферы диаметром от половины микрона до микрона на массив кантилеверов. Сферы, прикрепившиеся за счет электростатического притяжения, были удалены встряхиванием в плоскости. Но когда кантилеверы заставляли колебаться вверх-вниз более интенсивно — настолько, что они ударялись о «пол» под ними — сферы не сдвигались с места, как и при вращении всего чипа.

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

Соавторами Илича и Крейгхеда (профессора инженерии им. Чарльза В. Лейка-младшего и профессора прикладной и инженерной физики в Корнелле) являются Слава Крылов, профессор кафедры механики твердого тела, материалов и систем Тель-Авивского университета, и Марианна Кондратович, студентка-исследователь кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Корнелла.

Источник: Корнеллский университет