Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств
Проанализированы различные подходы к созданию молекулярных сенсорных устройств. Рассмотрены принципы работы сенсорных устройств с использованием молекулярной элементной базы и особенности технологической реализации исследуемых в данной работе устройств....
Saved in:
| Date: | 2003 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2003
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6392 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств / Н.И. Ходаковский // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2003. — № 2. — С. 134-138. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859749825434615808 |
|---|---|
| author | Ходаковский, Н.И. |
| author_facet | Ходаковский, Н.И. |
| citation_txt | Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств / Н.И. Ходаковский // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2003. — № 2. — С. 134-138. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Проанализированы различные подходы к созданию молекулярных сенсорных устройств. Рассмотрены принципы работы сенсорных устройств с использованием молекулярной элементной базы и особенности технологической реализации исследуемых в данной работе устройств.
|
| first_indexed | 2025-12-01T23:34:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2003, №2 134
Проанализированы различные под-
ходы к созданию молекулярных
сенсорных устройств. Рассмот-
рены принципы работы сенсорных
устройств с использованием мо-
лекулярной элементной базы и
особенности технологической ре-
ализации исследуемых в данной
работе устройств.
Н.И. Ходаковский, 2003
ÓÄÊ 681.3
Í.È. ÕÎÄÀÊÎÂÑÊÈÉ
ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÏÐÎÖÅÑÑÎÂ
ÈÇÃÎÒÎÂËÅÍÈß ÝËÅÌÅÍÒÎÂ
ÌÎËÅÊÓËßÐÍÛÕ ÑÅÍÑÎÐÍÛÕ
ÓÑÒÐÎÉÑÒÂ
Изучение свойств отдельных компонентов и
принципов функционирования последних на
молекулярном уровне позволили во многом
получить определенные результаты по соз-
данию молекулярной элементной базы для
построения отдельных устройств обработки
информации, способных в дальнейшем быть
востребованными для разработок перспек-
тивной вычислительной техники. Изучение
технологических приемов по получению ма-
териалов, близких по характеристиках к мо-
лекулярным структурам, использующих
принципы обработки информации за счет
конфигурационных превращений, во многом
позволили понять механизм работы указан-
ных молекулярных структур по обработке
информации в составе надмолекулярных об-
разований.
Прототипом базовых элементов при разра-
ботке молекулярных вычислительных уст-
ройств может быть молекулярное сенсорное
устройство (МСУ), представляющее собой
структуру, состоящую из детектирующего
слоя и преобразователя, способного форми-
ровать электрический или оптический сигнал
при изменении свойств детектирующего
слоя. В качестве детектирующего слоя может
быть использована ферментная пептидная
структура или молекулярная пигментная
структура, которые образуют своеобразную
молекулярную матрицу. Входящие в состав
МСУ молекулы способны выполнять вычис-
лительные операции путем взаимодействия и
последующего преобразования в другую фо-
рму молекул вещества, с помощью которо-
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2003, №2 135
го формируется и передается сигнал.
Поскольку выходной сигнал имеет информацию о происходящих процессах
в молекулярном носителе сигнала, то в результате обработки последнего, можно
определять не только химический состав указанного носителя, но и иметь дан-
ные о его функциональной активности. Ряд исследователей считают, что на пер-
вом этапе создания молекулярных электронных устройств будут создаваться
гибридные приборы в виде твердотельных МСУ на основе полупроводниковых
структур [1-3], как это случилось в случае изготовления нейрокомпьютеров на
базе нейрочипов [4].
Применение групповой технологии изготовления интегральных схем с ис-
пользованием монокристаллического кремния, которая, кроме значительного
снижения стоимости создаваемого прибора, позволяет достигать необходимый
уровень интеграции и совмещения на одном кристалле специализированных вы-
числительных и детектирующих приборов. При этом указанные приборы могут
функционировать с буферной электронной схемой для записи и обработки необ-
ходимой информации.
Требования к разрабатываемой молекулярной матрице заключаются в необ-
ходимости создания в последней определенной структурно функциональной ор-
ганизации, позволяющей идентифицировать границы раздела, а также опреде-
лять уровень активности областей возмущения, вызванных заданным характе-
ром внешних возмущающих факторов. При формировании выходного сигнала с
помощью молекулярной матрицы можно выделить три этапа. На первом этапе
происходит специфическое распознавание поступившего сигнала, на втором −
адекватная реакция структуры матрицы с соответствующим изменением физи-
ческих и химических свойств последней. На третьем − мы можем получить со-
ответствующий выходной сигнал, несущий информацию об уже измененной
структуре рассматриваемой матрицы.
Необходимо отметить, что, в отличие от традиционных ЭВМ, молекулярные
устройства обладают специфическим механизмом распознавания характера из-
менений в молекулярной структуре в результате воздействия внешних факторов.
Например, группы молекул в составе молекулярных матриц используют своеоб-
разную пространственную логику, которая заключается в определении места
расположения и последующего точного фиксирования измененных фрагментов
молекулярных группировок. Другими словами, можно сказать, что в молекуляр-
ных структурах нет жесткой программы поддержания формы своей структуры,
но существует не менее четкий механизм учета и регулирования пределов воз-
можного изменения расположения одних молекулярных фрагментов относи-
тельно других.
Высокая чувствительность молекулярных структур − один из важных фак-
торов, позволяющих использовать последние в виде молекулярных датчиков.
Механизм запуска своеобразной цепи молекулярного усиления обеспечивается
за счет воздействия входного сигнала, который включает механизм срабатыва-
Н.И. ХОДАКОВСКИЙ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2003, №2 136
ния цепи химических реакций, позволяющих получить в определенной области
МСУ резкое увеличение соответствующего продукта.
Приведенный механизм запуска цепи молекулярного усиления может также
осуществляться за счет включения переходных процессов в мембранных ком-
плексах клеток, которые могут запускаться посредством регулирования прони-
цаемости ионных каналов и последующего изменения уровня трансмембранного
потенциала. Запускающим фактором, вышеуказанных химических реакций, мо-
жет являться феномен значительного уменьшения уровня специализированных
молекулярных структур в виде липосом, что вызывает появление в клеточной
среде большого количества молекулярных меток.
Значительная избирательность молекулярных ферментных структур сильно
зависит от определенных внешних факторов:
- присутствие определенного специфического компонента для протекания
реакций;
- наличие узкого температурного диапазона;
- определенного значения ионной силы растворов в клеточных структурах;
- точного узкого интервала кислотности среды;
- необходимость наличия ингибиторов химических реакций в качестве ио-
нов тяжелых металлов.
Способность молекулярных структур преобразовывать сигналы, получен-
ные при оценивании параметров расположения одних молекулярных фрагмен-
тов относительно других, т.е. специальных сигналов формы, позволяет молеку-
лярным сенсорным устройствам производить прием различных сигналов из ок-
ружающей среды за счет использования в МСУ переключательных структур
[5,6]. Указанные переключательные структуры могут выполнять свои функции,
как на уровне молекулярных агрегатов, так и на уровне отдельных молекул, ко-
гда специальный элемент молекулы − своеобразная антенна после приема сиг-
нала, передает последний на участок молекулы, ответственный за дальнейшую
обработку сигнала.
Например, световой сигнал может поступать на молекулярную антенну, со-
держащуюся в клеточных структурах органов зрения, представляющую собой
молекулярный пигмент − опсин, в состав которого входит хромофорная группа,
позволяющая поглощать свет видимого диапазона. В другом зрительном пиг-
менте − родопсине, осуществляется связь с хромофорной группой посредством
молекулярных связей типа -- СH == N.
При попадании порции света на хромофорную группу (ретиналь R), послед-
няя претерпевает реакцию изомеризации путем перехода структуры из цис- в
транс-форму. Полученная таким образом транс-форма хромофорной группы от-
соединяется от основной молекулярной структуры родопсина, при этом послед-
ний претерпевает конформационное превращение, что сопровождается процес-
сом транслокации и проявлением типичного фазового перехода. Таким образом,
на этом этапе, мы уже имеем дело с другой структурой родопсина, находящего-
ся в возбужденном состоянии и позволяющего запустить механизм цепи фер-
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2003, №2 137
ментативных реакций, позволяющих изменять проницаемость ионных каналов
мембранного комплекса клетки. Последний полученный эффект позволяет зна-
чительно повысить чувствительность ионных каналов к свету. При этом мы по-
лучаем уровень чувствительности, при котором, попадание на рассмотренную
выше приемную часть молекулы 1 фотона, вызывает торможение до 250 ионных
каналов в мембранном комплексе клетки органа зрения [7]. В свою очередь,
процесс поглощения хромофорной группой фотона света, вызывает на мембране
клетки возникновение волнового проявления трансмембранного потенциала.
Требования, предъявляемые к молекулярным сенсорным устройствам,
предполагают, что определенная часть вычислительных процессов осуществля-
ется непосредственно в самом МСУ на уровне решения задач распознавания об-
разов [8]. МСУ должны уметь, кроме определения типа вещества в сложной
многокомпонентной среде, находить соотношение концентраций веществ и их
форму. В случае работы с источниками оптического излучения МСУ должен не
только определять интенсивность излучения и длину волны, а и распознавать
спектр, форму и пространственные координаты источника.
Базовым элементом для изготовления МСУ может быть использована мат-
рица в виде двухслойной мембраны, которая содержит фоточувствительный
пигмент в ячейках для регистрации приходящих сигналов, а краситель, реаги-
рующий на величину электрического поля в ячейках для анализа обрабатывае-
мой информации. При попадании порции света в виде фотона в ячейку с пиг-
ментом, происходит изменение дипольного момента и соответствующих кон-
формационных изменений последнего. В результате суммарного действия по
указанному механизму множества указанных ячеек, происходит формирование
итогового сигнала.
Рассматривая эффективность работы вышеприведенных базовых элементов
для вычислений в средах молекулярных структур, можно выделить ряд этапов
по обработке информации с помощью процессов распознавания образов:
- получение микрокаркасов по методу получения двумерных пептидных
структур для обеспечения выполнения этапов самосборки отдельных элементов
МСУ;
- встраивание базового модуля в созданную вне клетки искусственную
мембрану;
- использование МСУ для контроля параметров электрического поля вокруг
модуля в полученной искусственной мембране;
- создание на основе базового модуля библиотеки специализированных
модулей;
- массовое изготовление МСУ на основе применения рекомбинантных
ДНК-структур.
Надежность работы в вышеуказанной системе будет зависеть от уровня
процессов саморемонта и замены вышедших из строя компонентов, как это
имеет место в системах обработки информации на основе живой клетки.
Перспективность разработок элементов МСУ может быть в значительной
мере реализована за счет использования базовой технологии изготовления инте-
Н.И. ХОДАКОВСКИЙ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2003, №2 138
гральных схем с применением монокристаллического кремния. При работе с
последним возможны значительные продвижения на пути создания трехмерных
микроструктур посредством использования методов изотропного и анизотроп-
ного травления. Возможности анизотропного травления, при котором травление
монокристалла осуществляется перпендикулярно определенной кристаллогра-
фической плоскости, позволяют получать субмикронные мембраны и конструк-
ции с подвижными фрагментами [9]. Однако, необходимо подчеркнуть, что соз-
дание гибридных конструкций, состоящих из традиционных элементов инте-
гральных полупроводниковых схем и элементов молекулярных матриц, требует
глубокого изучения механизмов совместного функционирования последних в
рамках одной квантовомеханической системы. Такие явления, как электростати-
ческое и ван-дер-ваальсовое взаимодействия, а также процессы поверхностного
натяжения, которые присущи при создании молекулярных матриц, необходимо
учитывать и при разработках вышеуказанных гибридных МСУ.
1. Стриха В.И., Шульга А.А. Биосенсоры на основе полупроводниковых структур // Вiсн.
АН УРСР. − 1988. − №2. − С.21-33.
2. Special issue on sensors and actuators // IEEE Trans. Electron Devices, 1988. − Vol. 35. −
№6. – 135 р.
3. Joachim C., Gimzewski J.K. An electromechanical amplifier using a single molecule //
Chem.Phys.Lett., 1997. − Vol. 265. – P. 353-357.
4. Cuberes M.T., Schlittler R.R., Gimzewski J.K. Room temperature supramolecular repositioning
at molecular interfaces using scanning tunnelling microscope // Surfase Sci.Lett., 1997. −
Vol. 371. – P. 231-234.
5. Рамбиди Н.Г., Замалин В.М. Молекулярная микроэлектроника: Физические пред-
поcылки и возможные пути развития // Поверхность. Физика, химия, механика. – 1986. −
№ 8. – С. 5-30.
6. Stieve H. Sensors of biological organisms - biological transducers // Sensors and Actuators. -
1983. − Vol. 4. − P. 689-704.
7. Рубин А.Б. Биофизика. − М.: Высш. шк., 1987. − 2. − 303 с.
8. Иваницкий Г.Р. Биологические микроустройства // Вестн. АН СССР, 1984. − №3. −
С.118-128.
9. Ko W.H. Solid-state physical transducer for biomedical research // IEEE Trans.Bio-Med.
Eng. − 1986 . − Vol. 33. − №2. − P.153 - 162.
Получено 01. 07. 2002
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6392 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T23:34:19Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ходаковский, Н.И. 2010-03-02T10:15:03Z 2010-03-02T10:15:03Z 2003 Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств / Н.И. Ходаковский // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2003. — № 2. — С. 134-138. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6392 681.3 Проанализированы различные подходы к созданию молекулярных сенсорных устройств. Рассмотрены принципы работы сенсорных устройств с использованием молекулярной элементной базы и особенности технологической реализации исследуемых в данной работе устройств. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств Ходаковский, Н.И. |
| title | Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств |
| title_full | Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств |
| title_fullStr | Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств |
| title_full_unstemmed | Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств |
| title_short | Исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств |
| title_sort | исследование процессов изготовления элементов молекулярных сенсорных устройств |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6392 |
| work_keys_str_mv | AT hodakovskiini issledovanieprocessovizgotovleniâélementovmolekulârnyhsensornyhustroistv |