基于生物免疫机制的薄膜谐振结构痕量有机磷农药传感器研究

目前在食品和环境安全方面迫切需要具有现场快速检测功能的高性能有机磷农药传感器，目前的传感器无法同时满足灵敏性、选择性和简单化的要求。本项目提出一种基于生物免疫机制的薄膜谐振结构痕量有机磷农药传感器，以压电薄膜作为高频体声波谐振的功能层形成薄膜谐振普适质量敏感结构，研究解决薄膜谐振结构质量敏感端部的选择性吸附分子修饰问题以及薄膜谐振结构在生化分析所需的液体环境中高Q值和高灵敏性的问题。针对三种严禁使用的常见高毒有机磷农药，对质量敏感端部进行生物识别分子修饰实现传感器的特异选择性，采用平面环形结构电场激励剪切波模式体声波谐振获得稳定的高Q值和灵敏性，研究生物分子吸附、组装以及反应过程中的敏感特征，融合高频体声波的高灵敏优势和生物免疫反应的特异性，实现一种最低检测浓度可达1 pmol/l，同时具有并行分析和快速检测能力的低成本"电子试纸"，为现场痕量农药检测系统提供新型的高灵敏传感器。

本项目针对食品和环境安全领域迫切需要的具有现场传感检测功能的高性能有机磷农药传感器的应用背景，通过微纳电子技术和分子生物技术的交叉融合，发展了一种微纳尺度的压电薄膜体声波谐振传感器件。器件基于普适的质量敏感原理，以GHz频段谐振的压电微纳结构为核心，检测极限达到单分子层水平。特别是该器件通过CMOS兼容的技术制造，具有可集成优势，适应于新型传感器微型化和芯片集成的发展要求。本项目获得的主要进展有：1）扩展了微纳尺度的压电传感理论，给出了压电微纳结构中体声波普适质量敏感机制的理论表达，提出用横向电场激励压电微纳结构中剪切波振动的新思路，解决了以往器件在液体环境中无法高品质谐振的问题。首次在实验上给出了粘滞环境中微纳尺度高频体声波敏感特征的基础规律，深化了对其界面阻尼效应的理解，为薄膜体声波器件的高灵敏传感应用提供了科学依据。2）首次基于薄膜体声波器件研究了生物反应的动力学规律，为生化检测提供了新型集成化和阵列化的器件。研究了压电微纳结构对多种生物分子相互作用的敏感特征，为生物反应动力学提供了新的科学信息。融合高频体声波的高灵敏优势和生物免疫反应的特异性，实现了一种最低检测浓度可达1 pmol/l，准确度与色谱法相当，但具有明显的高通量、集成化、低成本和小尺寸优势的有机磷农药传感器。3）进一步利用纳米可控组装方法，提出在压电微纳结构中引入铜离子修饰的巯基单分子自组装膜实现对特定分子的选择性，构建了一种集成化和微型化的有机磷毒气传感器。检测极限达0.8ppb，灵敏性达到目前非色谱类传感器的最高值。项目共发表SIC论文13篇，申请专利6项，两次获得山东省高校优秀科研成果奖。