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微悬臂梁传感器工作模式理论分析研究

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第10卷第5期 2013年10月 纳米器件与技术 Nanodevice&Technology Vo1.10 No.5 October 2013 微悬臂梁传感器工作模式理论分析研究 刘志伟,童朝阳,张金平,郝兰群 (防化研究院国民核生化灾害防护国家重点实验室,北京 102205) 摘要:简要地介绍了微悬臂梁传感器的工作原理和主要特性,着重介绍了微悬臂梁传感器动、 静态工作模式下的理论分析方法和提高灵敏度的主要方法。微悬臂梁传感器在动态.7-作模式下 灵敏度极高,但在液态环境下使用易受到液体阻尼效应的影响,只适于在空气中运行使用;相 对于动态模式,静态模式受液体黏性的影响较小,更适于在液态中使用。 关键词:微悬臂梁传感器;工作模式;理论分析;灵敏度;影响因素 Research on Theoretical Analysis of Operating Modes for】Ⅵicr0一cantilever Sensor LIU Zhi—wei,TONG Zhao-yang,ZHANG Jin-ping,HAO Lan-qun (State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian,Research Institute of Chemical Defence, Beijing 1 02205,China) Abstract:The working principle and main characteristics of micro-cantilever sensors are introduced,especially theoretical analysis of micro—cantilever sensor in dynamic and static operating mode,and the primary method to improve the sensitivity are disscussed.In the dynamic operating mode,Micro-cantilever sensor has a high sensitivity,but it is vulnerable to the damping effect of the liquid.Thus,the operation is only suitable for use in the air.Compared with the dynamic operating mode,static operating mode is more suitable for rise in the liquid because of less influences resuhed from the viscous. Keywords:micro—cantilever sensor;operating modes;theoretical analysis;sensitivity;influencing factors 中图分类号:TP212.9 文献标识码:A 文章编号:1812—1918(2013)05—0010—05 0引言 由于微悬臂梁传感器具有体积小、灵敏度高、 不需标记、可阵列化等优点,在发展微型化、集 成化、智能化等方面具有很大的优势,成为近年 目前,以微悬臂梁传感器为基础的各种生化 分子检测研究已经成为生化检测领域的重点研究 方向。然而,对于微悬臂梁传感器上发生的生化 反应如何引起微悬臂梁的弯曲(或谐振频率的改 变)研究还较少。在现阶段,微悬臂梁传感器的 动、静态工作模式均有不同的理论模型及研究方 法。本文主要概括了微悬臂梁传感器的工作原理 和主要特性.着重介绍了微悬臂梁传感器动、静 态工作模式下的理论分析方法和提高灵敏度的主 要方法 的研究热点,并广泛用于抗原【”、DNAt21、细菌闭、 病毒[41、化学毒物及爆炸物 、生物分子构象变化 fi]、湿度阎、流速 、热量【 ol等诸多检测领域。 收稿日期:2013-09—13 lO 第10卷第5期 2013年10月 纳米器件与技术 Nanodevice&Technology V0l_10 No.5 October 2013 图3微悬臂梁动态模式工作原理 刚度的改变是均匀的): AU= ( 一 ) (3) 悬臂梁谐振频率随悬臂梁质量的增加而减 小,随悬臂梁弹性系数的增加而增加。目前大多 数的报道认为悬臂梁谐振频率的变化主要是由于 分子结合引起的质量增加,质量改变使相对弹性 \7、I 系数改变,对悬臂梁谐振频率的变化占主导作 用,因此,上式中弹性系数项可忽略,谐振频率 变化公式可简化为: Am一 _ (4) 由(4)式可知,微悬臂梁谐振频率的变化与 未结合目标分子时的固有频率及质量增加成正 比,与未结合目标分子时微梁的质量成反比,因 此,若在保证微梁表面积大小不变而能结合上同 样多的目标分子的情况下,微梁制作的越薄,其 未结合目标分子时固有频率越大、质量越小.微 梁也更灵敏。 但最近有研究报道表明 ,谐振频率的变化 主要是由于生物分子间相互作用诱导的表面 应力导致刚度变化而引起,总的质量改变引起频 率变化不是主因。由分子间作用引起的表面应力 可用下面这个公式来估算: 丁:孚【L 2(筝)+(J1 筝)ji 2] (5) 丁。是每单位长度微悬臂梁的弯曲载荷, 丁o= } (6) 占为悬臂梁的抗弯刚度, 为悬臂梁的长度。 f可表示为: =( ) 、/ (7) 为悬臂梁的有效质量。 A 满足先验方程: cosAicoshA +1=0 (8) 在微悬臂梁表面结合分子而引起频率变化至 12 i时, =fi+ =( 、/【者][14‘ ](9) 是由于表面结合分子引起的谐振频率改 变,△ 是所结合分子的总质量。.『是由于分子结 合引起生物分子间相互作用产生的表面应力。 由(5)、(6)、(7)式可知,微悬臂梁质量一 定、结合同样目标分子的情况下,微梁越长,其 频率变化值越大,微悬臂梁的灵敏度也越高。 微悬臂梁传感器在动态工作模式下灵敏度极 高,但在液态环境下使用易受到液体阻尼效应的 影响,只适于在空气中运行使用,相对于动态模 式,静态模式受液体黏性的影响较小,更适于在 液态中使用。 4提高灵敏度的主要方法 4.1 优化微悬臂梁几何结构 由stoney方程_l2_可知。微悬臂梁的弯曲大小 与微悬臂梁的长度及厚度有关。与其长度的平方 成正比,与其厚度的平方成反比,因此,理论上 来说,微悬臂梁的长度越长,厚度越薄,其灵敏 度越高。然而,目前制作微悬臂梁的技术而言, 过长和过薄会导致微悬臂梁容易断裂,因此在保 证微悬臂梁牢固的前提下.加大微悬臂梁长度与 厚度的相对比值可以显著增加其灵敏度。 4.2使用杨氏模量更低的材料 除用硅、氮化硅和二氧化硅等硅材料制作微 悬臂梁,还可应用杨氏模量更低的高聚物材料来 制备微杨氏模量只有硅材料的1/40,由stoney方 程_l2]可知,杨氏模量降低,灵敏度提高。相对悬 臂梁,部分文献【18Ⅱ 9]应用由su一8材料制作的微悬 臂梁来检测目标物。由SU一8制作的微悬臂梁适 于氮化硅等材料,而对PH、酸碱度等化学物质 相应不敏感,在很多场合下可以更好地消除本底 噪音.但制造工艺还不是很成熟,应用不多。 4.3纳米材料的信号放大 纳米材料可以增加微悬臂梁的检测灵敏度。 第5期 2013年l0月 纳米科技 No.5 October 2013 Nanoscience&Nanotechnology 目前。已有研究者I20 ̄N用硅纳米粒子修饰的cD— NA形成免疫复合物来检测HBV(乙型肝炎病毒) 的DNA,检测灵敏度达到23.1fM一2.31nM,比不 用纳米粒子免疫复合物检测的灵敏度提高了2—3 个数量级。 4.4磁力加大弯曲 在利用纳米材料修饰的抗体与抗原形成免疫 复合物将信号放大的基础上,还可通过对结合上 的纳米材料施加力来增大悬臂梁的弯曲。有研究 者【2l_利用磁性四氧化三铁纳米粒子修饰的抗体与 抗原形成免疫复合物检测PSA(前列腺特异性抗 原).磁性四氧化三铁纳米粒子免疫复合物在微 悬臂梁表面形成以后,用一块直径为2 cm的圆 柱形永久磁铁在距微悬臂梁约50 Ixm的地方加 大微悬臂梁的弯曲。结果显示,在PSA同为 0.4 ng/mL的情况下.由于磁场对磁性纳米粒子 吸引而引起的输出电压加大了4.3倍。 5结语 本文简要地概括了微悬臂梁传感器的工作原 理、主要特性,着重介绍了微悬臂梁传感器动、 静态工作模式下的理论分析方法以及提高灵敏度 的主要方法。 参考文献 Wu G H,Ji H F,Hansen K,et a1.Bioassay of prostate— speciifc antigen(PSA)using microcantilevers[J].Nature Biotechnology,2001,19:856-860. 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