基于纳机电谐振器的水环境汞离子高灵敏快速检测关键问题研究

Nano-electro-mechanical oscillators are key components in a variety of applications of nano-mechanical systems,such as ultrasmall mass detection, ultra-fast sensing, generation of very high frequency signals.Trace detection of heavy metal ions in water environment based on the frequency shift of the vibration of silicon nanobeams is a new sensing method, a new technology, and a new proposal with ultra-high mass sensitivity and ultrasmall sensing device. Fast trace detection can be achieved by this new proposal. A frequency shift will occur when the mass of a nanobeam is changed. Fast trace detection of mercuric ions will be realized by measuring the frequency shift of the nanobeam in this project. The aim of this project is to resolve to scientific and technologic problems related to this new technology. The creative point in this project is application of modifying Au electrode to the surface of silicon nanobeams. The mechnism of selectivity of silicon nanobeams will be explored, and the adsorption and accumulation of Hg2+ ions will be realized. A model will be built to study the vibration behavior of silicon-based nanobeams. The detection of high frequency vibration will be developed, and therefore the trace detection of mercuric ions will be achieved . The chievements of this project will have significant impact on the development of this research field, and on the detection and monitoring of water enviornment. This will give big contribution to the construction in the China economy.

纳机电谐振器是纳机电系统用于痕量检测、超快传感的最重要的部件之一。利用纳机电谐振器的高频振荡特性对水环境重金属汞离子进行痕量检测，灵敏度极高，传感单元微小，可实现快速检测，是水环境重金属汞离子检测和监测的新方法、新技术和新手段。本项目基于纳米谐振器质量的改变将引起高频振动频率改变这一原理，通过测试纳米谐振器的高频振动频移实现汞离子的快速痕量检测。本项目旨在研究这一新方法、新技术所涉及的相关的科学问题和技术问题。本研究将创新性地把电化学分析法中的修饰电极原理与技术应用于硅基纳米谐振器件的表面修饰中，研究硅纳米谐振器修饰表面对金属离子的选择性机理，实现汞离子（Hg2+）的吸附与富集。本项目将发展纳米谐振器高频振动的检测方法，实现纳米谐振器痕量汞离子检测。本项目的完成将对本学科的发展、对水环境污染检测和监测产生重要影响，对国民经济建设做出贡献。

近年来，我国乃至全球汞污染局面形势严峻。对水环境中汞的监测与检测非常重要！发展水环境中汞离子的快速、高灵敏、高效及现场检测技术关系到人们的健康与生命安全，意义十分重大。.纳机电谐振器是纳机电系统用于痕量检测、超快传感的最重要的部件之一，灵敏度极高，传感单元微小，可实现快速检测。本项目旨在探索将纳机电谐振器的高频谐振特性进行痕量检测的原理和技术应用于对水环境中重金属汞离子的痕量检测的可行性。项目研究内容包括：敏感材料对重金属靶标离子的吸附机理研究；纳米复合梁高频振荡行为及影响因素研究；金-硅基微纳米谐振梁结构设计、工艺研究与实现；纳米梁高频振动检测方法研究与检测电路设计和实现；汞金属离子痕量检测实验研究。.通过四年来研究工作的开展，项目取得了如下结果：1. 发展了介孔硅纳米颗粒巯基、氨基功能化制备方法，分别验证了两种功能化材料对镉离子、汞离子的选择性吸附；2.将带有氨基修饰的DNA通过化学共价键合成法嫁接到氨基功能化介孔硅上，形成带氨基的核酸适配体介孔硅（DNA-NH2-MSNPs），实现了对汞离子Hg2+更高的选择性吸附；3.利用微米梁的谐振实现了纳克级别的微小质量探测；4. 利用自行制备的氨基功能化介孔硅纳米材料，对微米梁表面进行修饰，实现了对溶液中汞离子的富集与质量检测，从原理上验证了项目的可行性；5. 理论上研究了金-硅复合纳米梁基波振动频率随着梁长度与厚度的变化趋势，为实验提供参考；6. 探索了国内现有加工条件下制备微纳米梁的一些关键工艺；7. 设计并搭建了基于FPGA的微纳米梁静电驱动电路和读频电路，实现了静电驱动，基本实现频率检测功能。.项目取得的结果和存在的一些问题思考将对纳机电谐振器应用于快速痕量检测有一定的借鉴意义。