微懸臂梁傳感器及其在生化領域的應用

1 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/90368.htm

　　傳感器是一種可以獲取有用信息並將其轉換成可用信號的特殊裝置，它在信息處理系統中佔有十分重要的地位，廣泛應用於生產、科研和生活的各個領域。懸臂梁結構是最簡單的微結構，利用它可以探測到極小的位移或質量的變化，這使得微懸臂梁成為高精度高靈敏傳感器的理想選擇。

2 微懸臂梁傳感器的工作原理

　　將待測物與微懸臂梁通過某種方式固定在一起，會引起微懸臂梁彎曲或諧振頻率的變化。因此，可以利用微懸臂梁的這些特點製作基於微懸臂梁的物理、化學和生物傳感器。它們結合不同的讀出方法，可以測量到精度很高的微懸臂梁彎曲變化或諧振頻率的變化。由此，微懸臂梁有兩種不同的工作模式：靜態工作模式和諧振工作模式，下面分別進行介紹。

2.1靜態工作模式

　　如果把待檢測的分子吸附在微懸臂梁的一個表面，而另外一個表面不吸附待測分子，由於分子之間的相互作用會在微懸臂梁上下表面引起應力差，從而導致微懸臂梁彎曲。微懸臂梁_卜下表面的應力差(σ1～σ2)可以通過Stoney方程來計算。

　　式中：L和t分別是微懸臂梁的長度和厚度，△d是微懸臂梁自由端的位移，而E和v則是所用材料的楊氏模量和泊松比。山上述方程我們可以看出，△d與(σ1～σ2)成正比，為了提高微懸臂梁的靈敏度，必須把微懸臂梁的一個表面修飾為對目標分析物不敏感，而另外一個表面修飾為對目標分析物具有高親合力，以產生大的上下表面應力差。靜態工作模式一般結合光學讀出方法來讀出微懸臂梁的彎曲量，一個典型的例子如圖1。

 

2.2諧振工作模式

　　微懸臂梁在氣體中或者在真空中工作時可以將其作為弱阻尼的機械振蕩器。使用交變電場或磁場激勵可以使其振蕩。諧振工作模式的常用方法是微懸臂梁吸附待測物引起質量變化，從而導致微懸臂梁諧振頻率偏移，通過測量頻率偏移量的大小，就可以反映出微懸臂梁吸附待測物的多少。微懸臂梁的諧振行為可以用Hook定律來描述。對矩形微懸臂梁，其彈性係數k可由公式(2)得到：

 
　　其中：w、t、l分別是微懸臂梁的寬度、厚度和長度，E是構成微懸臂梁的材料的彈性模量。忽略環境介質的阻尼效應，則微懸臂梁的基頻諧振頻率f0為：


 
　　其中：m0是懸臂梁的有效質量。

　　設懸臂梁吸附了待測生物化學分子之後，發生了質量改變△m，懸臂梁諧振頻率變為f1，則由公式(3)可以得到：

 
2.3讀出技術

　　微懸臂梁傳感器的一個重要組成部分是一套能夠將微懸臂梁的有關變化實時輸出的讀出系統。微懸臂粱的讀出方法主要有光學方法和電學方法兩類。其中光學方法常用的是光束偏轉法，電學方法包括壓阻法、壓電法和電容法等。

2.3.1光束偏轉法

　　光束偏轉法的測量原理如圖1所示，雷射二極體發出的雷射束打在懸臂梁的自由端，以自由端上的金屬層作為反射鏡，將入射的雷射反射出去，通過位置敏感探測器(PSD)接收反射光，PSD輸出的電信號通過信號處理電路計算出入射在PSD上光束的位置，從而可以反映微懸臂梁的彎曲變化。這種方法可以應用於透明的液體中，並且具有線性響應、簡單可靠、測量精度高等特點，其缺點是PSD的輸出受周圍環境的影響，信號處理電路的噪聲也是影響測量精度的重要因素之一。

2.3.2壓阻法

　　壓阻效應是指半導體材料在應力作用下，禁帶寬度發生變化，引起載流子的濃度和遷移率發生變化，從而使材料的電阻率發生變化。在矽懸臂梁上的合適區域進行摻雜，懸臂梁彎曲的時候，會引起摻雜區的電阻變化，因此，可以通過摻雜區的電阻變化來表徵懸臂梁的偏轉。目前，顯示出較強的壓阻效應的材料是摻雜的單晶矽。懸臂梁上摻雜區的電阻變化可用惠斯通電橋來檢測。壓阻法的優點是其信號讀出電路可以和CMOS工藝兼容，並且不受懸臂梁周圍介質的影響。壓阻法的缺點是讀出信號過程中有電流流過懸臂梁，導致懸臂梁發熱而產生附加的懸臂梁彎曲和電阻變化。另一方面壓阻法無法應用在液體環境中。

2.3.3壓電法

　　當晶體受到某固定方向外力的作用時，內部就會產生電極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去後，晶體又恢復到不帶電的狀態；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。利用這種效應，在懸臂粱表面澱積壓電材料(通常是ZnO)，當懸臂梁彎曲時，在壓電層就會產生感應電荷，感應電荷的多少就反映了懸臂梁的彎曲程度。壓電法的優缺點與壓阻法的大致相同。

2.3.4電容法

　　電容法的測量原理是如果改變兩塊平行板之間的距離，則兩塊平行板之間的電容就會改變。將懸臂梁作為可動的平行板，則懸臂梁彎曲的變化就可以通過電容的變化來表徵。

3 微懸臂梁的設計與製造

3.1設計與製造

　　設計懸臂梁時，需要重點考慮的參數是靈敏度、噪聲、彈性係數、響應頻率等。一個高性能的懸臂梁通常需要具有高靈敏度、低噪聲、高響應頻率和低彈性係數。這些參數取決於懸臂梁的幾何形狀、材料的機械性質以及製作懸臂梁的工藝條件等。這些要求並不能全部滿足，比如降低彈性係數同時會降低響應頻率，在設計時要根據使用場合綜合考慮。 懸臂梁的製造可以通過矽微加工工藝來實現。常用的加工工藝有光刻、刻蝕、薄膜工藝等。一個典型的製造工藝流程如圖2。

 

　　圖3是我們按照上述方法設計製造的微懸臂梁，在梁的自由端增加了一個反射面，它將用於分子構象探測方面的研究。

 

3.2敏感材料與微懸臂梁的固定技術

　　微懸臂梁傳感技術的一個關鍵和難點是生化敏感材料與梁的固定。這種固定既要考慮檢測的可靠性與靈敏度，不能使生物分子失活；還要考慮解吸附與梁的重複利用問題。固定方法有吸附法、包埋法、交聯法、共價鍵結合法等，這些方法各有優缺點，如常用的吸附法操作簡單，但結合力弱；共價鍵結合法連接牢固，可重複使用，是目前研究中最活躍的一類方法，但該法比其它方法反應劇烈，生物分子活性損失更加嚴重。

4 微懸臂梁傳感器在生化領域的應用

　　微懸臂梁傳感器自從問世以來，以其體積小、成本低、靈敏度高等優點，在生物化學領域獲得了廣泛的研究和應用。對懸臂梁傳感器的描述最早出現在1943年Norton的一份專利中，在該專利中，Norton提出一種基於雙金屬盤的氫氣探測器。1969年，Shaver使用長100 mm，厚125μm的雙金屬懸臂梁構成氫氣傳感器，發展了Norton的概念。其工作原理是氫氣在鈀金屬中的高溶解性及其隨之而來的鈀金屬的膨脹。20世紀90年代以來，矽微加工技術的發展使微懸臂梁的製造得以實現，加上先進讀出技術的發展，促使微懸臂梁得到廣泛應用。

　　1999年，Moulin等用懸臂梁傳感器來測量金表面由於蛋白質吸附引起的表面應力。其懸臂梁結構見圖1，V形Si3N4懸臂梁的尺寸為200μm×36μm×0.6μm。梁的上表面鍍金，下表面鍍一層惰性的硫醇類物質。整個懸臂梁浸在緩衝液中，注入蛋白質後，金表面吸附蛋白質後引起的表面應力改變就會導致懸臂梁彎曲。一束雷射在梁的自由端反射，通過PSD接收反射光，反射光斑的位移與懸臂梁彎曲成比例。在2 min的時候注入30μL的緩衝液，隨後在第28 min注入30μL免疫球蛋白(IgG)。實驗結果(見圖4)表明注入緩衝液後沒有明顯的表面應力變化，而注入IgG後則產生了很大的響應。該方法無需使用放射性或螢光物質作為示蹤劑，為生物材料的檢測提供了一種新方法。

 

　　2005年，在Lee等的工作中，通過在懸臂梁表面澱積壓電薄膜來檢測懸臂梁對蛋白質和DNA的吸附。懸臂梁尺寸為100μm×30μm×5μm，壓電薄膜厚2.5μm。帶壓電薄膜的懸臂梁通過振蕩電路激勵，通過計數電路來測量頻率。實驗測得懸臂梁的基頻為1.2～1.3 MHz，吸附胰島素和T序列DNA後的頻率變化量分別為217 Hz和17.7 kHz，對應的質量變化分別為0.45821×10-15g和37.3747×10-15g。這種方法可以將電路部分與懸臂梁集成，組成晶片實驗室(LOC)，這是當前研究熱點和今後發展方向。

　　在化學傳感器方面，微懸臂梁結構可以用來檢測某些氣體或進行溶液成分分析。1999年，IBM蘇黎世實驗室設計出人工鼻子，採用懸臂梁陣列，8個懸臂梁中4個作為參考懸臂梁，另外4個則用於探測氫氣、乙醇、天然香辛料和水。2006年，Datslos等使用人工神經網絡(ANN)算法來分析懸臂梁陣列的多路響應。該方法不但可以識別多種被分析化學物，還可以計算出它們的濃度，並且不會將未知分析物誤認為是被分析物，正確識別的概率超過97％。

　　國內也有很多有關微懸臂梁應用的研究，中科院微電子所Huang等對懸臂梁的結構進行了優化，並將其用於檢測熱敏高分子聚N-異丙烯醯胺(PNIPAM)分子構象隨溫度的變化。實驗結果如圖5所示，在升溫和降溫過程中，都在32℃附近檢測到明顯的懸臂梁彎曲變化，說明PNIPAM分子在32℃時有一個明顯的構象變化，並且這個變化過程是可逆的。

 

　　中國科技大學薛長國等利用微懸臂梁傳感器對抗原抗體的反應進行檢測。通過分子自組裝方法將穀胱甘肽轉硫酶(GST)修飾到微懸臂梁的單側鍍金表面後，應用光學讀出方法來監測在加入GST抗體的過程中，微懸臂梁的實時彎曲過程。實驗表明，加入GST抗體近3 min後抗原和抗體發生特異性反應，由於表面應力改變，微懸臂梁產生了明顯的彎曲變形(見圖6)。 


 
5 總結與展望

　　微懸臂梁傳感器以其體積小、成本低、靈敏度高等優點獲得了越來越多的研究與應用，為生化物質的檢測提供了一種新方法，具有誘人的應用前景和很大的市場潛力。但是微懸臂梁傳感器還存在許多問題，如檢測的可靠性與靈敏度有待提高，如何實現定量分析等。微懸臂梁傳感器的一個重要發展方向是將其與分析化學、計算機、電子學、材料科學與生物學、醫學等交叉，可以組建晶片實驗室，實現化學分析檢測，有可能導致化學分析領域的一場革命。