提高微型磁致伸缩生物传感器灵敏度基础与应用研究

Mass-sensitive, magnetoelastic resonance sensors have a characteristic resonant frequency that can be determined by monitoring the magnetic flux emitted by the sensor in response to an applied, time varying, magnetic field. This magnetostrictive platform has a unique advantage in-vivo and in-site detection over conventional sensor platforms in that measurement is wireless and remote. Unfortunately, it has not been widely used in real detection due to its not satisfied sensitivity. The methods to effectively improve its sensitivity and the related mechnism have not been established yet. In this project, microscale magnetostrictive sensors will be fabricated using standard MEMS technique, heat treating in a vacuum furnace, chromium and gold sputterring will be conducted then for the sensors to have different sizes, microstructure and surface performances. The effect of the treating parameters on sensitivity, microstructure, residual stress, magnetic domain and other related magnetic performance parameters will be systematically investigated, and the relationship between these factors and sensitivity will be investigated as well. After that, the residual stress, magnetic domain and other related magnetic performance parameters will be simulated using finite element and tested by measurement in order to clarify the dimensional effect, microstructure effect and surface effect on the sensitivity of magnetoelastic resonance sensors. The goal of this reseach is to get the optimun dimensions, MEMS technique, heat treating and sputterring parameters，and also clarify the main mechnism.

磁致伸缩生物传感器具有无线无源的特征，决定了它在活体分析和在线分析等许多应用领域具有其它传感器无法比拟的优势。但其灵敏度偏低限制其推广应用，如何有效提高灵敏度及与此相关的基础理论一直未能得到很好的解决。本课题采用MEMS技术制备磁致伸缩非晶薄膜，并通过热处理、表面喷涂等技术，获得不同形状尺寸、不同微结构、不同表面状态的传感器；系统研究MEMS制备工艺、后续热处理和表面喷涂工艺及传感器尺寸对检测灵敏度的影响规律；系统研究处理工艺对微结构、残余应力、磁畴状态及特征性能参数的影响；研究微结构、残余应力、表面状态等与灵敏度的相关性；用有限元模拟计算和实验测试方法分析残余应力、弹性模量、泊松比及磁畴状态；通过热动力学计算与分析，弄清影响灵敏度的尺寸效应、微结构效应和表面效应。目标是获得具有高灵敏度磁致伸缩生物传感器的最佳形状尺寸与MEMS制备、热处理及表面喷涂工艺条件,并澄清影响机理。

以磁致伸缩膜-生物膜复合薄膜体系为基，通过被测细菌等在复合薄膜上的选择性吸附对传感器共振频率的影响，实现被测细菌的及时快速检测。磁致伸缩生物传感器具有无线无源的特征，决定了它在活体分析和在线分析等许多应用领域具有其它传感器无法比拟的优势。由此发展得来的复合薄膜磁致伸缩传感器可视为生物芯片技术向磁致伸缩材料体系的延伸，为生物科学-材料科学交叉的产物，所开发的生物传感器应用前景广阔。因此，本项目具有十分重要的研究意义。.项目主要研究内容为：MEMS技术制备传感器用磁致伸缩非晶带材工艺研究；传感器用磁致伸缩非晶带材的热处理、表面处理技术研究；生物传感器灵敏度尺寸效应研究；非晶带材Cr、Au涂层与生物膜相容性研究；有效阻滞其他细菌吸附的阻滞剂及生物传感器检测专一性研究。项目取得的主要研究进展、重要结果、关键数据及其科学意义简述如下：1）制备了磁致伸缩非晶带材，制备及热处理工艺研究发现，250℃+2h真空退火可消除非晶带材内应力，改善其结构与相关性能。2）澄清了生物传感器灵敏度尺寸效应，发现了传感器尺寸越小，检测灵敏度越高。由此可预测，只要传感器尺寸足够小，可实现单个细菌的检测。3）对非晶带材进行了Cr、Au溅射，发现了微量Cr和Au可显著提高膜片的耐蚀性和生物活性。4）阻滞剂的系统性研究发现，superblock blocking buffer通过蛋白质大分子覆盖住没有噬菌体吸附的传感器表面，使其能够阻止沙门氏菌与具有生物活性的传感器表面进行非专一性结合，而又不影响噬菌体对细菌的专一性吸附，从而使生物传感器有效降低非专一性细菌吸附，使检测精确度显著提高。5）生物传感器检测专一性系统性研究发现，抗体对沙门氏菌（S. typhimurium）具有良好的检测专一性，对其他同类细菌吸附明显减少，特别是几乎不吸附非同类细菌。此外，为提高传感器系统的实际应用范围，制备了可同时检测两种细菌生物的传感器系统系统。项目的研究方法和有效阻滞剂已经应用在生物传感器上，进一步推进了磁致伸缩生物传感器的实际应用。