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微悬臂梁传感器及其在生化领域的应用

发布时间:2020-06-30 21:03:19 阅读: 来源:生物有机肥厂家

1 引言

本文引用地址:传感器是一种可以获取有用信息并将其转换成可用信号的特殊装置,它在信息处理系统中占有十分重要的地位,广泛应用于生产、科研和生活的各个领域。悬臂梁结构是最简单的微结构,利用它可以探测到极小的位移或质量的变化,这使得微悬臂梁成为高精度高灵敏传感器的理想选择。

2 微悬臂梁传感器的工作原理

将待测物与微悬臂梁通过某种方式固定在一起,会引起微悬臂梁弯曲或谐振频率的变化。因此,可以利用微悬臂梁的这些特点制作基于微悬臂梁的物理、化学和生物传感器。它们结合不同的读出方法,可以测量到精度很高的微悬臂梁弯曲变化或谐振频率的变化。由此,微悬臂梁有两种不同的工作模式:静态工作模式和谐振工作模式,下面分别进行介绍。

2.1静态工作模式

如果把待检测的分子吸附在微悬臂梁的一个表面,而另外一个表面不吸附待测分子,由于分子之间的相互作用会在微悬臂梁上下表面引起应力差,从而导致微悬臂梁弯曲。微悬臂梁_卜下表面的应力差(σ1~σ2)可以通过Stoney方程来计算。

式中:L和t分别是微悬臂梁的长度和厚度,△d是微悬臂梁自由端的位移,而E和v则是所用材料的杨氏模量和泊松比。山上述方程我们可以看出,△d与(σ1~σ2)成正比,为了提高微悬臂梁的灵敏度,必须把微悬臂梁的一个表面修饰为对目标分析物不敏感,而另外一个表面修饰为对目标分析物具有高亲合力,以产生大的上下表面应力差。静态工作模式一般结合光学读出方法来读出微悬臂梁的弯曲量,一个典型的例子如图1。

2.2谐振工作模式

微悬臂梁在气体中或者在真空中工作时可以将其作为弱阻尼的机械振荡器。使用交变电场或磁场激励可以使其振荡。谐振工作模式的常用方法是微悬臂梁吸附待测物引起质量变化,从而导致微悬臂梁谐振频率偏移,通过测量频率偏移量的大小,就可以反映出微悬臂梁吸附待测物的多少。微悬臂梁的谐振行为可以用Hook定律来描述。对矩形微悬臂梁,其弹性系数k可由公式(2)得到:

其中:w、t、l分别是微悬臂梁的宽度、厚度和长度,E是构成微悬臂梁的材料的弹性模量。忽略环境介质的阻尼效应,则微悬臂梁的基频谐振频率f0为:其中:m0是悬臂梁的有效质量。

设悬臂梁吸附了待测生物化学分子之后,发生了质量改变△m,悬臂梁谐振频率变为f1,则由公式(3)可以得到:

2.3读出技术

微悬臂梁传感器的一个重要组成部分是一套能够将微悬臂梁的有关变化实时输出的读出系统。微悬臂粱的读出方法主要有光学方法和电学方法两类。其中光学方法常用的是光束偏转法,电学方法包括压阻法、压电法和电容法等。

2.3.1光束偏转法

光束偏转法的测量原理如图1所示,激光二极管发出的激光束打在悬臂梁的自由端,以自由端上的金属层作为反射镜,将入射的激光反射出去,通过位置敏感探测器(PSD)接收反射光,PSD输出的电信号通过信号处理电路计算出入射在PSD上光束的位置,从而可以反映微悬臂梁的弯曲变化。这种方法可以应用于透明的液体中,并且具有线性响应、简单可靠、测量精度高等特点,其缺点是PSD的输出受周围环境的影响,信号处理电路的噪声也是影响测量精度的重要因素之一。

2.3.2压阻法

压阻效应是指半导体材料在应力作用下,禁带宽度发生变化,引起载流子的浓度和迁移率发生变化,从而使材料的电阻率发生变化。在硅悬臂梁上的合适区域进行掺杂,悬臂梁弯曲的时候,会引起掺杂区的电阻变化,因此,可以通过掺杂区的电阻变化来表征悬臂梁的偏转。目前,显示出较强的压阻效应的材料是掺杂的单晶硅。悬臂梁上掺杂区的电阻变化可用惠斯通电桥来检测。压阻法的优点是其信号读出电路可以和CMOS工艺兼容,并且不受悬臂梁周围介质的影响。压阻法的缺点是读出信号过程中有电流流过悬臂梁,导致悬臂梁发热而产生附加的悬臂梁弯曲和电阻变化。另一方面压阻法无法应用在液体环境中。

2.3.3压电法

当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就会产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。利用这种效应,在悬臂粱表面淀积压电材料(通常是ZnO),当悬臂梁弯曲时,在压电层就会产生感应电荷,感应电荷的多少就反映了悬臂梁的弯曲程度。压电法的优缺点与压阻法的大致相同。

2.3.4电容法

电容法的测量原理是如果改变两块平行板之间的距离,则两块平行板之间的电容就会改变。将悬臂梁作为可动的平行板,则悬臂梁弯曲的变化就可以通过电容的变化来表征。

3 微悬臂梁的设计与制造

3.1设计与制造

设计悬臂梁时,需要重点考虑的参数是灵敏度、噪声、弹性系数、响应频率等。一个高性能的悬臂梁通常需要具有高灵敏度、低噪声、高响应频率和低弹性系数。这些参数取决于悬臂梁的几何形状、材料的机械性质以及制作悬臂梁的工艺条件等。这些要求并不能全部满足,比如降低弹性系数同时会降低响应频率,在设计时要根据使用场合综合考虑。 悬臂梁的制造可以通过硅微加工工艺来实现。常用的加工工艺有光刻、刻蚀、薄膜工艺等。一个典型的制造工艺流程如图2。

图3是我们按照上述方法设计制造的微悬臂梁,在梁的自由端增加了一个反射面,它将用于分子构象探测方面的研究。

3.2敏感材料与微悬臂梁的固定技术

微悬臂梁传感技术的一个关键和难点是生化敏感材料与梁的固定。这种固定既要考虑检测的可靠性与灵敏度,不能使生物分子失活;还要考虑解吸附与梁的重复利用问题。固定方法有吸附法、包埋法、交联法、共价键结合法等,这些方法各有优缺点,如常用的吸附法操作简单,但结合力弱;共价键结合法连接牢固,可重复使用,是目前研究中最活跃的一类方法,但该法比其它方法反应剧烈,生物分子活性损失更加严重。

4 微悬臂梁传感器在生化领域的应用

微悬臂梁传感器自从问世以来,以其体积小、成本低、灵敏度高等优点,在生物化学领域获得了广泛的研究和应用。对悬臂梁传感器的描述最早出现在1943年Norton的一份专利中,在该专利中,Norton提出一种基于双金属盘的氢气探测器。1969年,Shaver使用长100 mm,厚125μm的双金属悬臂梁构成氢气传感器,发展了Norton的概念。其工作原理是氢气在钯金属中的高溶解性及其随之而来的钯金属的膨胀。20世纪90年代以来,硅微加工技术的发展使微悬臂梁的制造得以实现,加上先进读出技术的发展,促使微悬臂梁得到广泛应用。

1999年,Moulin等用悬臂梁传感器来测量金表面由于蛋白质吸附引起的表面应力。其悬臂梁结构见图1,V形Si3N4悬臂梁的尺寸为200μm×36μm×0.6μm。梁的上表面镀金,下表面镀一层惰性的硫醇类物质。整个悬臂梁浸在缓冲液中,注入蛋白质后,金表面吸附蛋白质后引起的表面应力改变就会导致悬臂梁弯曲。一束激光在梁的自由端反射,通过PSD接收反射光,反射光斑的位移与悬臂梁弯曲成比例。在2 min的时候注入30μL的缓冲液,随后在第28 min注入30μL免疫球蛋白(IgG)。实验结果(见图4)表明注入缓冲液后没有明显的表面应力变化,而注入IgG后则产生了很大的响应。该方法无需使用放射性或荧光物质作为示踪剂,为生物材料的检测提供了一种新方法。

2005年,在Lee等的工作中,通过在悬臂梁表面淀积压电薄膜来检测悬臂梁对蛋白质和DNA的吸附。悬臂梁尺寸为100μm×30μm×5μm,压电薄膜厚2.5μm。带压电薄膜的悬臂梁通过振荡电路激励,通过计数电路来测量频率。实验测得悬臂梁的基频为1.2~1.3 MHz,吸附胰岛素和T序列DNA后的频率变化量分别为217 Hz和17.7 kHz,对应的质量变化分别为0.45821×10-15g和37.3747×10-15g。这种方法可以将电路部分与悬臂梁集成,组成芯片实验室(LOC),这是当前研究热点和今后发展方向。

在化学传感器方面,微悬臂梁结构可以用来检测某些气体或进行溶液成分分析。1999年,IBM苏黎世实验室设计出人工鼻子,采用悬臂梁阵列,8个悬臂梁中4个作为参考悬臂梁,另外4个则用于探测氢气、乙醇、天然香辛料和水。2006年,Datslos等使用人工神经网络(ANN)算法来分析悬臂梁阵列的多路响应。该方法不但可以识别多种被分析化学物,还可以计算出它们的浓度,并且不会将未知分析物误认为是被分析物,正确识别的概率超过97%。

国内也有很多有关微悬臂梁应用的研究,中科院微电子所Huang等对悬臂梁的结构进行了优化,并将其用于检测热敏高分子聚N-异丙烯酰胺(PNIPAM)分子构象随温度的变化。实验结果如图5所示,在升温和降温过程中,都在32℃附近检测到明显的悬臂梁弯曲变化,说明PNIPAM分子在32℃时有一个明显的构象变化,并且这个变化过程是可逆的。

中国科技大学薛长国等利用微悬臂梁传感器对抗原抗体的反应进行检测。通过分子自组装方法将谷胱甘肽转硫酶(GST)修饰到微悬臂梁的单侧镀金表面后,应用光学读出方法来监测在加入GST抗体的过程中,微悬臂梁的实时弯曲过程。实验表明,加入GST抗体近3 min后抗原和抗体发生特异性反应,由于表面应力改变,微悬臂梁产生了明显的弯曲变形(见图6)。5 总结与展望

微悬臂梁传感器以其体积小、成本低、灵敏度高等优点获得了越来越多的研究与应用,为生化物质的检测提供了一种新方法,具有诱人的应用前景和很大的市场潜力。但是微悬臂梁传感器还存在许多问题,如检测的可靠性与灵敏度有待提高,如何实现定量分析等。微悬臂梁传感器的一个重要发展方向是将其与分析化学、计算机、电子学、材料科学与生物学、医学等交叉,可以组建芯片实验室,实现化学分析检测,有可能导致化学分析领域的一场革命。

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