微懸臂梁傳感器及其在生化領(lǐng)域的應(yīng)用

1 引言

　　傳感器是一種可以獲取有用信息并將其轉(zhuǎn)換成可用信號的特殊裝置，它在信息處理系統(tǒng)中占有十分重要的地位，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研和生活的各個領(lǐng)域。懸臂梁結(jié)構(gòu)是最簡單的微結(jié)構(gòu)，利用它可以探測到極小的位移或質(zhì)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制作基于微懸臂梁的物理、化學(xué)和生物傳感器。它們結(jié)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(tài)工作模式和諧振工作模式，下面分別進(jìn)行介紹。

2.1靜態(tài)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，由于分子之間的相互作用會在微懸臂梁上下表面引起應(yīng)力差，從而導(dǎo)致微懸臂梁彎曲。微懸臂梁_卜下表面的應(yīng)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(biāo)分析物不敏感，而另外一個表面修飾為對目標(biāo)分析物具有高親合力，以產(chǎn)生大的上下表面應(yīng)力差。靜態(tài)工作模式一般結(jié)合光學(xué)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(jī)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(zhì)量變化，從而導(dǎo)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，其彈性系數(shù)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(gòu)成微懸臂梁的材料的彈性模量。忽略環(huán)境介質(zhì)的阻尼效應(yīng)，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(zhì)量。

　　設(shè)懸臂梁吸附了待測生物化學(xué)分子之后，發(fā)生了質(zhì)量改變△m，懸臂梁諧振頻率變?yōu)閒1，則由公式(3)可以得到：

 
2.3讀出技術(shù)

　　微懸臂梁傳感器的一個重要組成部分是一套能夠?qū)⑽冶哿旱挠嘘P(guān)變化實時輸出的讀出系統(tǒng)。微懸臂粱的讀出方法主要有光學(xué)方法和電學(xué)方法兩類。其中光學(xué)方法常用的是光束偏轉(zhuǎn)法，電學(xué)方法包括壓阻法、壓電法和電容法等。

2.3.1光束偏轉(zhuǎn)法

　　光束偏轉(zhuǎn)法的測量原理如圖1所示，激光二極管發(fā)出的激光束打在懸臂梁的自由端，以自由端上的金屬層作為反射鏡，將入射的激光反射出去，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(yīng)用于透明的液體中，并且具有線性響應(yīng)、簡單可靠、測量精度高等特點，其缺點是PSD的輸出受周圍環(huán)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(yīng)是指半導(dǎo)體材料在應(yīng)力作用下，禁帶寬度發(fā)生變化，引起載流子的濃度和遷移率發(fā)生變化，從而使材料的電阻率發(fā)生變化。在硅懸臂梁上的合適區(qū)域進(jìn)行摻雜，懸臂梁彎曲的時候，會引起摻雜區(qū)的電阻變化，因此，可以通過摻雜區(qū)的電阻變化來表征懸臂梁的偏轉(zhuǎn)。目前，顯示出較強(qiáng)的壓阻效應(yīng)的材料是摻雜的單晶硅。懸臂梁上摻雜區(qū)的電阻變化可用惠斯通電橋來檢測。壓阻法的優(yōu)點是其信號讀出電路可以和CMOS工藝兼容，并且不受懸臂梁周圍介質(zhì)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(dǎo)致懸臂梁發(fā)熱而產(chǎn)生附加的懸臂梁彎曲和電阻變化。另一方面壓阻法無法應(yīng)用在液體環(huán)境中。

2.3.3壓電法

　　當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部就會產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)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(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。利用這種效應(yīng)，在懸臂粱表面淀積壓電材料(通常是ZnO)，當(dāng)懸臂梁彎曲時，在壓電層就會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷的多少就反映了懸臂梁的彎曲程度。壓電法的優(yōu)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征。

3 微懸臂梁的設(shè)計與制造

3.1設(shè)計與制造

　　設(shè)計懸臂梁時，需要重點考慮的參數(shù)是靈敏度、噪聲、彈性系數(shù)、響應(yīng)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(yīng)頻率和低彈性系數(shù)。這些參數(shù)取決于懸臂梁的幾何形狀、材料的機(jī)械性質(zhì)以及制作懸臂梁的工藝條件等。這些要求并不能全部滿足，比如降低彈性系數(shù)同時會降低響應(yīng)頻率，在設(shè)計時要根據(jù)使用場合綜合考慮。 懸臂梁的制造可以通過硅微加工工藝來實現(xiàn)。常用的加工工藝有光刻、刻蝕、薄膜工藝等。一個典型的制造工藝流程如圖2。

　　圖3是我們按照上述方法設(shè)計制造的微懸臂梁，在梁的自由端增加了一個反射面，它將用于分子構(gòu)象探測方面的研究。

3.2敏感材料與微懸臂梁的固定技術(shù)

　　微懸臂梁傳感技術(shù)的一個關(guān)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復(fù)利用問題。固定方法有吸附法、包埋法、交聯(lián)法、共價鍵結(jié)合法等，這些方法各有優(yōu)缺點，如常用的吸附法操作簡單，但結(jié)合力弱；共價鍵結(jié)合法連接牢固，可重復(fù)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(yīng)劇烈，生物分子活性損失更加嚴(yán)重。

4 微懸臂梁傳感器在生化領(lǐng)域的應(yīng)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(yōu)點，在生物化學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的研究和應(yīng)用。對懸臂梁傳感器的描述最早出現(xiàn)在1943年Norton的一份專利中，在該專利中，Norton提出一種基于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(gòu)成氫氣傳感器，發(fā)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(jì)90年代以來，硅微加工技術(shù)的發(fā)展使微懸臂梁的制造得以實現(xiàn)，加上先進(jìn)讀出技術(shù)的發(fā)展，促使微懸臂梁得到廣泛應(yīng)用。

　　1999年，Moulin等用懸臂梁傳感器來測量金表面由于蛋白質(zhì)吸附引起的表面應(yīng)力。其懸臂梁結(jié)構(gòu)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(zhì)。整個懸臂梁浸在緩沖液中，注入蛋白質(zhì)后，金表面吸附蛋白質(zhì)后引起的表面應(yīng)力改變就會導(dǎo)致懸臂梁彎曲。一束激光在梁的自由端反射，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的緩沖液，隨后在第28 min注入30μL免疫球蛋白(IgG)。實驗結(jié)果(見圖4)表明注入緩沖液后沒有明顯的表面應(yīng)力變化，而注入IgG后則產(chǎn)生了很大的響應(yīng)。該方法無需使用放射性或熒光物質(zhì)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，通過在懸臂梁表面淀積壓電薄膜來檢測懸臂梁對蛋白質(zhì)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(shù)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后的頻率變化量分別為217 Hz和17.7 kHz，對應(yīng)的質(zhì)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，組成芯片實驗室(LOC)，這是當(dāng)前研究熱點和今后發(fā)展方向。

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

　　國內(nèi)也有很多有關(guān)微懸臂梁應(yīng)用的研究，中科院微電子所Huang等對懸臂梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并將其用于檢測熱敏高分子聚N-異丙烯酰胺(PNIPAM)分子構(gòu)象隨溫度的變化。實驗結(jié)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(gòu)象變化，并且這個變化過程是可逆的。

　　中國科技大學(xué)薛長國等利用微懸臂梁傳感器對抗原抗體的反應(yīng)進(jìn)行檢測。通過分子自組裝方法將谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶(GST)修飾到微懸臂梁的單側(cè)鍍金表面后，應(yīng)用光學(xué)讀出方法來監(jiān)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后抗原和抗體發(fā)生特異性反應(yīng)，由于表面應(yīng)力改變，微懸臂梁產(chǎn)生了明顯的彎曲變形(見圖6)。 


 
5 總結(jié)與展望

　　微懸臂梁傳感器以其體積小、成本低、靈敏度高等優(yōu)點獲得了越來越多的研究與應(yīng)用，為生化物質(zhì)的檢測提供了一種新方法，具有誘人的應(yīng)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(xiàn)定量分析等。微懸臂梁傳感器的一個重要發(fā)展方向是將其與分析化學(xué)、計算機(jī)、電子學(xué)、材料科學(xué)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等交叉，可以組建芯片實驗室，實現(xiàn)化學(xué)分析檢測，有可能導(dǎo)致化學(xué)分析領(lǐng)域的一場革命。