电化学微悬臂梁传感器的研究项目摘要

当一侧覆盖有金属和修饰物的微悬臂梁（以下简称微梁）与被测物特异性作用时，由于两侧的应力不同，微梁产生变形，通过测量变形的程度可识别或定量测定被测物质。本申请将电分析化学的方法和技术与微悬臂梁传感器技术相结合，研究微梁电极上施加不同电信号的分析方法；在微梁电极上实现微梁变形信号与电化学反应信号同步获取以研究电化学反应机理；研究外部交流信号激发微梁共振的分析方法；研究当电极与微梁近距离靠近时，电极反应对微梁测定的控制与影响以及用微梁表征电极表面的电化学反应。目的是研究出高灵敏度、高选择性的无标记免疫分析、酶催化反应以及其它类型的新型电化学微梁传感器。 2100433B

微悬臂梁传感器是探索微观世界的重要工具，被广泛应用于微观领域形貌探测和参数测量。由于频率参数容易测量，通过微悬臂梁传感器谐振频率变化，间接探测被测对象的方法成为研究热点。近期研究发现，微悬臂梁传感器在流体中振动时会产生流固耦合振动现象，具体表现为：其谐振频率受流体影响强烈，且影响程度无法用经典振动理论解释，并表现出 尺度效应和频率效应。考虑到微悬臂梁传感器主要工作于流体环境，这一现象给以微悬臂梁传感器为工具的定量研究带来了较大困难。本项目拟研制微悬臂梁传感器流固耦合振动特性试验平台，分析微悬臂梁传感器和流体之间的相互作用机理，建立其谐振频率与流体边界条件、粘度、密度和温度等参数之间的关系模型，发展微纳米结构流固耦合振动理论。本项目的研究对于揭示流体对微纳米结构动力学特性影响及其表现出的尺度效应和频率效应的物理机制、高灵敏微悬臂梁传感器设计和应用将具有重要意义。

微悬臂梁传感器在流体中振动时会产生流固耦合振动现象，具体表现为：其谐振频率受流体影响强烈，且影响程度无法用经典振动理论解释，并表现出 “尺度效应”。这一现象给以微悬臂梁传感器为工具的定量研究带来了较大困难。本项目以沉浸于流体环境中的薄板型微悬臂梁传感器为研究对象, 建立了考虑“尺度效应”的微悬臂梁传感器二维流固耦合理论模型，提出了基于等效参数提取的简化数值求解方法，并通过实验论证了理论模型的有效性和准确性，同时分析了谐振频率与粘性流体之间的关系及其 “尺度效应”。研究表明作为影响浸于流体环境中的微悬臂梁频率响应特性的主要因素，流固耦合作用将使微悬臂梁振动各阶模态谐振频率值及振动幅值显著降低，且随着微悬臂梁厚度的减小或长宽比的增大，这种影响的程度将随之增强，同时在尺寸效应及边界滑移条件的影响下，流固耦合作用对微悬臂梁频率响应的影响将出现一定程度的减弱。 2100433B

以生物素- - 亲和素体系BAS为分子识别机制，研究生物分子的金微球质量放大原理的微悬臂梁生物传感器换能技术。通过检测带有压阻电极的微悬臂梁的频率响应进行定量检测。研究内容包括：液体中微悬臂梁振动理论的研究，主要是微悬臂梁的振动特性与其有效质量、弹性常数以及液体物性间的理论关系和实验修正，微悬臂梁的品质因数Q与液体物性的关系；金微球粒度选择方法的研究；微悬臂梁的弹性常数的实时标定方法，为该类生物传感器的标定奠定理论和实验基础；开发交流AC检测法的微悬臂梁品质因数Q控制电路，使其品质因数可调且在液体中提高三个数量级，克服微悬臂梁在液体中形变漂移对检测的影响；传感器的结构设计与优化。该种换能技术可达单分子灵敏度，结构精巧，是现代传感技术、机械学、信息学、生物学多学科交叉的前沿性研究。它的研制成功可以用于构建多种生物传感器，为食品安全、临床检验、环境监测等领域的超微量分析提供先进的高科技的检测手段。 2100433B