Новейшие разработки в мире весов, принципы работы атомных и нановесов

Индустрия разработки высокоточного (в частности, весоизмерительного) оборудования не стоит на месте. Что же примечательного было разработано в этой области за последние несколько лет? Именно об этом и пойдет речь в данной статье.

 

Атомные весы

Весоизмерительное оборудование совершенствуется, и чем дальше, тем больше растет точностью измерений. Современная техника способна измерить массу таких частиц, которые с трудом можно разглядеть даже в микроскоп. Для этого требуется экстремальная чувствительность весового сенсора (датчика).

Одним из таких приборов являются атомные весы. Основной взвешиваемый образец, как следует из названия, бесконечно мал: такие аппараты способны взвешивать даже молекулы (к примеру, белковые). Возможно регистрировать замеры не только твердых тел, но даже жидкостей и газов в сверхмалых количествах (т.е. на уровне отдельных молекул и атомов).

Атомные весы используются, в основном, в фармацевтической и медицинской индустриях. Такой прибор способен взвесить даже вирус! Этот функционал видится особенно актуальным в свете появившейся в 2020 г. пандемии вируса COVID-19, известного также как коронавирус.

 

 

 

Конструкция, принцип работы

Разумеется, для замеров массы наночастиц (в нанограммовом диапазоне) прибор не только должен иметь высочайшую точность, но и конструктивно кардинально отличаться от имеющегося весового оборудования. Уже нет тензодатчика, работающего по принципу электромагнитной компенсации, в ходу более точные технологии.

Такие атомные весы представляют собой лазерную систему отслеживания отклонений кантилевера¹ (микромеханического преобразователя, регистрирующего протекающие на его поверхности химико-биологические процессы). Кантилевер, в том числе, называется микроконсолью, кронштейном или просто консолью.

Аппарат регистрирует отклонения микроконсоли с точностью до долей ангстрема². Далее отклонения преобразуются в физический отклик. Инструмент сочетает в себе достоинства химического и биологического наносенсоров одновременно, имеет рекордную чувствительность.

Еще одним видом весоизмерительных аппаратов, используемым в ядерной энергетике, являются кварцевые нановесы. Они основаны на измерении массы методом пьезоэлектрического микровзвешивания (QCM, quartz crystal microbalance). Датчиком микровесов является кварцевый резонатор, колебания которого зависят от массы вещества, находящейся на его поверхности.

Основу составляет кварцевая пластина, сделанная из монокристалла кварца. На верхней и нижней поверхности пластины закреплены золотые электроды. Вследствие обратного пьезоэффекта, при подключении переменного напряжения к электродам пластина начинает колебаться. При некой частоте напряжение, в колебательной системе фиксируется резонанс.

 

 

Строго говоря, известны пьезосвойства не только кварца, но и нескольких десятков других поликристаллических веществ и монокристаллов. Однако кварц является наиболее подходящим в силу следующих достоинств: высочайшая термическая и механическая прочность, сильная электрофизическая стабильность, малое внутреннее трение.

Кварцевое микровзвешивание имеет ряд неоспоримых плюсов:

• Скорость выполнения анализа
• Малые габариты и сверхмобильность аппарата
• Не самая высокая цена
• Возможность проведения замеров непрофессионалом.

В настоящее время такое оборудование используется в системах типа «электронный нос», реализующих их количественный и качественный состав жидких и газовых сред.

 

 

 

Атомные весы

Атомные весы и их разработка уходят корнями в глубокое прошлое. Еще в 1818 г. известнейший химик Йенс Якоб Берцелиус опубликовал таблицу с весами 45 химических элементов. Разумеется, в то время не существовало техники, позволяющей вычислить их эмпирическим путем, поэтому публикация ученого была основана на теоретических расчетах.

В современное время оборудование с блоком управления позволяет не только фиксировать массу микрочастиц, но и измерять напряжение в тонких пленках на твердых подложках при помощи того же микрокантилеверного сенсора, упомянутого выше.

 

 Метод регистрации латеральных сил в многослойных плёнках

Метод латеральных сил (LFM, Lateral Force Microscopy) широко используется при исследовании полимеров, полупроводников, многослойных пленок. В отличие от контактного режима, регистрируется отклонение кантилевера в горизонтальной плоскости, т.е. скручивание и изгиб. Величина торсионного изгиба определяется коэффициентом трения поверхности образца, а также его топографией (наличием подъемов и выступов).

Изгиб и угол закручивания определяются моментом силы, которая действует на зонд, а далее отслеживается оптической системой. Способ позволяет зафиксировать наличие микроскопических тел на поверхности пленок. Возможно замерять при этом поверхностное натяжение в тонких пленках и адсорбированных монослоях.

После проведения замеров аппарат может провести термогравиметрический анализ вещества, к тому же зафиксировать кинетику адсорбционных процессов.

 

Измерение массы наночастиц на атомных весах

Современные нановесы дают возможность измерять массу объектов вплоть до 1 пикограмм. Это сравнимо с массой бактериальной клетки. Методика находит применение в фармацевтической сфере (особенно в клинической диагностике) для анализа лекарственных препаратов, обнаружения бактерий и вирусов, гормонального контроля и т.п.

Атомные весы кварцевого типа интересны тем, что могут работать не только в воздухе и в вакууме, на даже в жидкой сфере. Атомные весы это широкое применение в биохимии, в частности, для разработки биосенсоров (это биологические молекулы, захватывающие из раствора или внешней среды нужное вещество). Среди примеров – ДНК-биосенсоры, способные распознать фрагменты РНК и ДНК, а также иммунобиосенсоры, призванные распознавать антитела.

 

Нановесы

Нановесы – это атомные весы для взвешивания из будущего. Технология нанотрубок может, помимо прочего, использоваться для весоизмерения нано- и микрочастиц. Изготавливается нановолокно с золотым покрытием, которое крепится на микронном расстоянии от внешнего электрода. Под нагрузкой фиксируется изгиб нанотрубок, и путем сопоставления вибрации и резонансной частоты возможно провести расчеты.

Отличительной особенностью нанотрубок является возможность изгиба практически до прямого угла и восстановление положения уже после снятия нагрузки.

Нанотрубку, как и атомные весы для взвешивания, нужно откалибровать программным обеспечением. После этого по изменению резонансной частоты замеряется масса целевой частицы.

В июне 2021 ученые из Израиля смогли взвесить частицу вируса COVID-19. Вес каждой составляет порядка 1 фемтограмма (10^-15г). Иначе говоря, это 1 квадриллионная частица грамма!

Использование такого оборудования, как атомные весы, позволит фундаментальной науке существенно продвинуться вперед и внедрить разработки, еще несколько лет назад казавшиеся фантастическими.

 

Мини-справка

¹Кантилевер – распространенное название конструкции микромеханического зонда, являющееся самым употребимым в атомно-силовой микроскопии.

²Ангстрем – внесистемная единица измерения длины, используемая в различных областях науки. Равна 10^-10м. Численно примерно равна диаметру орбиты электрона в атоме водорода в невозбужденном состоянии. С точки зрения химии, большинство кристаллов имеет тот же шаг атомной решетки.