自驱动自传感微悬臂梁传感器及集成微悬臂梁电化学芯片分析系统

A strategy or one of the important trends of biosensors is to develop micro/nano biosensors. Biosensors based on microcantilevers have advantages including small size, high sensitivity, and fast response. Their developments have become one of hot research fields. For the absolutely majority of microcantilever sensors, their readout system based on optical lever principle is complex and expensive, and microcantilever sensor array is restricted. In this project, therefore, kinds of self-actuating and self-sensing microcantilever sensor integrated with actuators and sensor in a piezoelectric device will be fabricated. This self-actuating and self-sensing microcantilever as a working electrode integrating with micro counter electrode and micro reference electrode on a chip set up an electrochemical analysis system. The response model of the self-actuating and self-sensing microcantilever sensor will be established, and resonance frequency, amplitude and surface stress bending change of the microcantilever electrodes are measured in this electrochemical analysis process. On this account, a few electrochemical reaction mechanism, response models and signal processing are studied. This project are aimed at development of low cost, and portable electrochemical microsensors with simple structure and convenient operation. By using the microcantilever electrode array, biochemical multi-analysts are simultaneously detected in multi-channel system, and a few advanced, free-label, high selective and sensitive analysis methods will be developed.

生物传感器向微纳米方向发展是生物分析发展的重要趋势之一，基于微悬臂梁的生物传感器具有尺寸小、灵敏度高、响应速度快的特点，已经成为研究热点。针对目前微悬臂传感器的读出系统绝大多数采用复杂、昂贵的光学杠杆系统，且多阵列微悬臂测量受限制的现状，提出将驱动器和传感器集成在同一个压电器件中，制备出具有自驱动与自传感功能的微悬臂梁传感器，并以其作为工作电极，与微对电极、微参比电极集成在芯片上，构筑一个电化学分析系统。通过建立自驱动与自传感微悬臂梁的响应模型，测量微悬臂梁电极在电化学分析测量过程中微悬臂梁的共振频率和振幅、应力变化，研究该电化学测量体系的反应原理、多种信号处理及其响应模式，目的是研究出一种结构简单、操作简便、成本低、便携式的新型电化学传感器。通过构建微悬臂梁电极阵列，实现多通道、多指标的同时检测，应用于生物化学领域的分析研究，建立一批先进的、无标记、高选择性、高灵敏度的生物分析方法。

新兴材料与传感器智能化发展相结合的传感器技术，正朝着微小集成化、功能智能化、自驱动化、自传感化方向发展。微悬臂梁传感器是微型化传感领域研究的方向之一。在本项目研究中，针对目前微悬臂梁传感器的读出系统绝大多数采用频率测量法、或复杂、昂贵的光学杠杆系统，且多阵列微悬臂梁测量受限制的现状，我们选择了合适的、可便于微型化加工的压电材料作为微悬臂梁，研制出了具有自驱动与自传感功能的微悬臂梁传感器（不需要依靠外部激励条件如外加电场、磁场或声波来驱动，同时又可实现自我感知外界信号）。实验研究表明，当该压电材料制作的微悬臂梁一侧有化学或生物分子发生作用时，微悬臂梁产生微应变，其表面会产生瞬时电荷，且与应力成正比。通过分析产生的电荷大小，就能够得出微悬臂梁的形变情况，以此达到传感信号的采集。将该微型悬臂梁通过自制电路与电荷信号放大器电路模块、ATMega328开发板相连，同时将电压的引脚接到开发板的对应模拟口。开发板通过USB数据线与电脑连接，进入arduino软件系统，输入对应的检测代码，电荷放大电路将电荷转换为数字信号即电压信号输出，并通过串口将其传送到PC机，精确地测量了电荷信号的有效值。将抗体固定于PVDF微悬臂的镀金表面（厚度28 μm，面积4x5 mm2），当分析检测体系中的被测抗原与微悬臂上的抗体发生特异性免疫反应时，微悬臂梁表面应力变化直接转化成电压信号输出。实验结果表明，在最佳条件下，电压输出峰值与溶液抗原浓度（如HCG）的对数在7.4～1.4x103 IU/L之间线性相关(R=0.990)。与传统的方法相比，该微悬臂传感检测系统不需要阻抗分析仪和频率计，其灵敏度优异、构造简单、易于电路集成，仪器成本远低于光学杠杆方法，具有成本低廉、样品使用量少、响应速度快、可便携化、适用于现场检测等诸多优点。将其应用于生物化学领域的分析研究，可建立一种先进的、无标记、高选择性、高灵敏度的生物分子分析方法。另外，一批包括微悬臂梁传感器在内的新型传感器材料与高灵敏度分析方法也被建立。