谐振型高Q值Lamb波多孔分子印迹生物传感器研究

The piezoelectric membrane acoustic sensors have many advantages, such as high sensitivity, small size, integrated manufacturing and so on. However, when the sensors are used in the biological solution detection, they will have high mechanical energy losses. This will make the sensors have low quality factor (Q factor), bad detection level. In this proposal, we try to increase the membrane Lamb wave sensor’s Q factor by preventing the energy losses at the membrane edges. The proposed structure includes the phononic structure situated on the membrane edge and acoustic reflection mirror on the surface of the both sides support part. In order to decouple the mass and viscosity of the molecularly imprinted polymers (MIP) sensing layers and the detected molecular of the biological solution, the first order and higher orders of Lamb wave resonant modes are used simultaneously. In this work, the MEMS processes to make the low stress multi membrane layers and the high piezoelectric coefficient piezo layer are also studied. The MIP sensing layer is also polymerized in situ and studied with the multi Lamb wave resonant modes. With this project been done, we hope to provide one smart MIP sensing method and device. All the work done in this project will provide new methods for developing low energy loss, high Q factor and low detection level bio acoustic sensor, which will be useful for the drink water quality safety and clinic examination.

压电薄膜声波质量传感器具有体积小、灵敏度高、可集成制造等优点，但生物液相探测时存在较高机械损耗问题，造成其液相品质因数（Q值）差、检测分辨率低。本申请拟将薄膜声子结构体和声波反射栅用于Lamb波谐振器中，减少或阻止声波能量向薄膜边缘的辐射和消耗，提升器件Q值；建立传感器表面上三维多孔分子印迹原位聚合和修饰方法，利用Lamb波的基模和高阶谐振模式对传感器件上分子印迹膜及被测物的质量、粘度等多参数进行解耦和识别，构建多孔分子印迹型高灵敏度、多参量生物传感机理。解决含有声子结构体的复合薄膜低应力制备、多元素掺杂高系数压电薄膜生长、器件上多孔分子印迹原位聚合、多模式的激励及检测等技术问题，为声波生物传感的高分辨率、低消耗、高Q值、阵列化探测提供新途径、新方法，满足水质安全和临床检验对生物传感高Q值、低检出限以及现场探测等需求。

高性能生物医学传感器一直是生命科学、医学领域研究热点，其性能直接决定着生命科学仪器、医疗仪器的性能，因其涉及材料、器件设计、制作工艺、生物界面等诸多技术，迫切需要深入系统的研究。. 本项目针对影响高性能薄膜压电声波生物传感器的材料、器件、生物传感方面的挑战，围绕压电传感物理机理、低应力高性能薄膜压电材料制备、薄膜压电结构优化设计、压电传感生物效应增强方法等问题进行了系统深入的研究，取得一些创新性的成果。. 本项目建立了高Q值、高质量分辨率、高灵敏度新型声波谐振器件物理模型，揭示了液体对新型柔性Lamb波谐振模式的调制作用，解决了器件的制备、激励及检测等技术问题。制作的Lamb波器件空气中的Q值达到4676，选取了更具有临床意义的血液中的胃癌标志物进行生物实验测试，测量结果为30 pg/mL (胃癌标志物，PG Ⅱ)。.项目执行期间，以通讯作者发表论文12篇，其中SCI论文10篇，SCI论文影响因子大于10的2篇，影响因子大于5的5篇；申请直接相关发明专利7项，其中申请国际PCT专利3项，授权中国发明专利4项。本项目培养了一批高水平的研发队伍，项目负责人周连群，入选国家高层次人才特殊支持计划、中科院青年促进会优秀会员等国家省部级人才5项，课题参者1人晋升研究员，2人晋升副研究员；研究生培养方面，共有3名博士生在读，6名硕士生在读，8名硕士生顺利毕业。基于本项目技术，开发的生物分子界面分析仪成果获得中国科学报的报道，第十届国际发明展览会暨第三届发明创新论坛上荣获“发明创业奖·项目奖”银奖，仪器在中科院武汉病毒所等单位使用。. 本项目的实施为薄膜压电生物医学传感的高分辨率、低消耗、阵列化探测提供了新途径、新方法，在临床医学检验等方面现出了一定的优势，未来有望推动生物医学传感器和相关仪器的广泛应用，生命科学、医学提供强有力的研究工具。