AuNPs-PDMS复合微薄膜电导式表面应力生物传感器制备及力电传感机理研究

Surface stress-based biosensor uses a balance of free energy change induced by the binding reaction to measure the analytes, which has higher precision. Gold Nanoparticles-Polydimethylsiloxane (AuNPs-PDMS) composite micromembrane has the characteristic of good biocompatibility and macro quanta tunnel effect, the sensitivity is about two orders of magnitude higher than the traditional metal or semiconductor piezoresistive material. Conductive signal detection is easy to BioMEMS integration. The key scientific problems, such as the electromechanical sensing mechanism and the fabrication process will be researched. The goal of the project is to design and fabricate the high sensitive AuNPs-PDMS composite micromembrane and biosensor, to build the conductive detection and integration process of the electromechanical signal of AuNPs-PDMS composite micromembrane. Last the functionalization will be designed and researched to detect the elevation of urine protein induced by the hydremic nephritis for proving and realizing the electromechanical sensing mechanism. This research will provide the technical and theoretical support for the realization of high sensitive integrated detection of biological signals.

表面应力生物传感器从分子量级对分析物进行探测分析，传感检测精度更高；AuNPs-PDMS复合微薄膜具有良好的生物相容性和宏观量子隧道效应，其灵敏度比传统传感材料高出大约两个数量级；电导式信号检测利于MEMS 生物传感芯片集成。本项目拟开展AuNPs-PDMS复合微薄膜电导式表面应力生物传感器制备方法、(表面应力)力电传感机理等关键科学问题研究；解决高灵敏度AuNPs-PDMS复合微薄膜的设计与加工制备，突破AuNPs-PDMS工艺与传统工艺相结合的难题；建立AuNPs-PDMS复合微薄膜力电信号的电导式检测方法和集成工艺；针对肾病综合症引起的尿中蛋白质升高进行检测，验证AuNPs-PDMS复合微薄膜电导式表面应力生物传感器的力电传感高灵敏度特性，为实现高灵敏度生物信号的集成探测提供支持。

生物传感器是一个非常活跃的工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。而基于表面应力的生物传感器是一种新型的传感器，它利用分子间化学键的结合能，然后转化为可测量的光信号、电信号或机械信号来进行生物测试，具有低信噪比和高灵敏度的特点。本项目利用原位还原法，成功制备了杨氏模量小、灵敏度高的AuNPs-PDMS复合微薄膜，该薄膜纳米金颗粒嵌入在PDMS中，解决了纳米粒子分布不均匀且易脱落的难题。通过进一步还原纳米金颗粒，提高复合薄膜的导电性，为基于表面应力的电导式生物传感器的制备奠定了基础。项目设计了MEMS工艺，利用AuNPs-PDMS复合微薄膜制备了基于表面应力的生物传感器，突破传统工艺的难题，并实现了传感器的功能化。最后，基于表面应力的电导式生物传感器完成了浓度在10-1000μg/mL的人血清白蛋白的测试，并且传感器具有特异性，在尿蛋白测试甚至肾病的诊断中具有巨大的潜在价值。此外，项目在执行期间共发表SCI论文20篇，其中一区4篇，二区3篇；申请发明专利4项，授权专利5项；培养博士生2名，硕士生4 名。圆满完成了项目任务书的各项内容，达到了项目任务书的各项指标。