Новітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесы

Роботи над вдосконаленням ваговимірювального обладнання ведуться з моменту появи перших ваг, не припиняються вони і сьогодні.

Новітні розробки в світі ваг в даний час перемістилися в дві області: створення атомних ваг і нановесов. Так як саме такі ваги дозволяють проводити вимірювання з точністю, яка потрібна в даний час в НДІ і різних техномістких галузях виробництва.

Зміст

  • 1 Атомні ваги. Конструкція, принцип роботи
  • 2 Атомні ваги. Метод реєстрації латеральних сил в багатошарових плівках
  • 3 Вимірювання маси наночастинок на атомних вагах
  • 4 Нановесы

Атомні ваги. Конструкція, принцип роботи

Новітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесы

Атомні ваги відносяться до класу прецизійної апаратури. Точність вимірювання подібних ваг залежить від геометрії вимірювальної микроконсоли, використаної в них, і може досягати 10-19 грама.

Крім визначення маси, конструкція атомних ваг дозволяє проводити реєстрацію поверхневого натягу і латерального напруги в тонких плівках, включаючи монослойниє, можуть використовуватися в якості біологічних і хімічних сенсорів, а також рідинних і газових аналізаторів високої чутливості.

Новітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесы

Роль вимірювального елемента в атомних вагах грає консоль мініатюрних розмірів. Зовнішній генератор призводить до виникнення в ній резонансних коливань. Якщо при цьому до її вільного кінця приєднати додаткову масу, то змінюються характеристики коливання (частота, амплітуда, фази).

Вимірюючи зміни зазначених величин, можна визначати приєднану масу.

Тобто, якщо закріпити на консолі нано – або мікрочастинок сорбенту, то з’являється можливість аналізу кінетики сорбції газів зазначеної наночастицей. Даний спосіб в даний час використовується для виявлення в атмосфері різноманітних домішок (газових) і парів рідин. Робилися спроби використання зазначеного методу в рідких середовищах, але чутливість в цьому випадку досить значно знижується, т. к. середовища рідкі значно демпфируют виникають коливання.

Тому в рідких середовищах використовують інший принцип. Тут реєструють відхилення кантілевери (статичні). Для реалізації зазначеного методу одна із сторін консолі покривається золотом (найтонша плівка).

Осадження плівки речовини на ту або іншу сторону консолі згинає останню, т. к. змінюється величина поверхневого натягу, або в плівці з’являються латеральні напруги.

Зупинимося на кожному з цих методів дещо детальніше. Попередньо слід зазначити, що в якості консолі при виконанні вимірювань з допомогою атомних ваг найчастіше використовується кантилевер, який вже давно застосовується в атомно-силової мікроскопії.

Технологія його виготовлення повністю відпрацьована і широко доступна в комерційних цілях.

Атомні ваги. Метод реєстрації латеральних сил в багатошарових плівках

Новітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесы

Варіанти вимірювальних датчиків: а – микроконсоль з білковим рецепторних шаром, б – з низькомолекулярним рецептором, – архітектура силового імунохімічного микроконсольного сенсора.

Новітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесы

Масив микроконсолей, що мають індивідуальні рецепторні шари. Кожна микроконсоль відхиляється у відповідності з величиною зміни поверхневої енергії рецептора. Відхилення консолей фіксуються за допомогою лазерно-оптичного датчика наноперемещений, запозиченого з атомно-силового мікроскопа

Зазначений метод затребуваний в першу чергу медичною та фармацевтичною промисловістю. Микроконсольные системи в даному випадку виступають в ролі твердофазних високочутливих перетворювачів.

Новітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесы

В якості матеріалів, що ініціюють виникнення напруги в микроконсоли, в сучасних бисенсорных додатках виступають:

  • низькомолекулярні адсорбируемые речовини;
  • ферменти;
  • антитіла;
  • молекулярні комплекси;
  • білки;
  • аптамери;
  • набухаючі полімерні плівки.

Новітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесы

Микроконсольный силовий датчик коректно працює тільки тоді, коли одна з його поверхонь специфічна по відношенню до досліджуваного речовини. Датчики, як правило, мають одну специфічну до сорбату площину, інша залишається інертною (див. рис. 1)

Від описаного вище принципово відрізняється інший спосіб застосування микроконсоли. Зв’язування з рецептором визначуваної речовини на поверхні микроконсоли утворюється статична деформація консолі кремнієвої. Величина вигину останньої визначається прецизійно з використанням для цієї мети спеціальної лазерно-оптичної системи.

Вимірювання маси наночастинок на атомних вагах

Новітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесы

Атомні ваги дозволяють зважувати навіть віруси. В цих випадках застосовується метод контролю над змінами власних частот, властивих резонансної системи, при зростанні маси останньої при додаванні аналізованого речовини.

Похибки методу вимірювання маси об’єктів мікросвіту з використанням кантілевери оцінюються шляхом зіставлення теоретичного розрахунку і експериментальних даних про значення маси, отриманих при послідовному закріпленні на кінці кантілевери, який є вільним, спеціальних кульок Nanosensors. У сучасних пристроїв вона не перевищує п’яти відсотків.

Роздільна здатність сучасних атомних ваг дозволяє зважувати поодинокі об’єкти масою 1пг. Це можна порівняти з масою бактеріальної клітини групи E-coli, і на порядок вище традиційно застосовувався раніше методу кварцового мікрозважування.

Атомні ваги російського виробництва дозволяють вирішувати широкий спектр завдань:

  • аналіз ліків;
  • гормональний контроль;
  • детектування вірусів, бактерій і антитіл і т. п.

Причому всі зазначені маніпуляції відбуваються в режимі реального часу. Паралельно в одній пробі можна аналізувати кілька речовин, що містяться у випробуваному матеріалі.

Малий час відгуку, що не перевищує 15 хвилин, дозволяє застосовувати ваги в клінічній діагностиці.

Застосування атомних ваг не обмежується медичною сферою. Їх все більш активно використовують в атомній та космічній промисловості, у фундаментальних наукових дослідженнях, в інших галузях, пов’язаних з нанотехнологіями.

Нановесы

Проводячи дослідження властивостей нанотрубок, вчені підійшли до ідеї створення нановесов. Як ваговимірювального пристрої, в яких застосовані нанотрубки з вуглецю, чутливість яких дозволяє їм реагувати навіть на масу вірусів і інших частинок, що належать до субмикронным.

З нанотрубок «сплітається» вуглецеве волокно, до якого приєднується повідець із золота. Вся конструкція закріплюється на спеціальному утримувачі, і розташовується на відстані близько 5 – 20 мкм від зовнішнього електрода.

Подаючи на нього напругу, нанотрубку змушують вібрувати. При цьому використовується властивість трубки згинатися під навантаженням практично на 90 градусів і відновлювати початкове положення після зняття навантаження.

Новітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесыНовітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесы

Трубка може резонувати в широкому діапазоні частот від декількох сотень кГц до декількох МГц. При цьому лінія механічного резонансу кожної трубки вкрай вузька і прямо залежить від товщини трубки, її довжини, пружних властивостей і щільності.

В основу роботи нановесов покладений наступний принцип. Коли на нанотрубку кладеться що-небудь, резонансна частота останньої змінюється.

Попередньо провівши калібрування нанотрубки, тобто визначивши її пружність, по зсуву резонансної частоти можна визначити масу зважуємо частинки.

Новітні типи ваговимірювального обладнання. Атомні ваги і нановесы

Останні вимірювання на російських нановесах дозволили зважити графітову частку, мала масу 22*10-15 м (22 фемтограмма).

Американським ученим вдалося довести зазначений показник до 1,5 фемтограмм.

Використання нановесов і атомних ваг дозволяє істотно просунути фундаментальні наукові розробки та застосувати їх для отримання виробів, які можна і потрібно виробляти і використовувати вже сьогодні.

Сподобалася стаття? Поділитися з друзями: