基于微悬臂梁力学传感器的检测方法和识别技术研究中文摘要

随着我国向自主创新型国家的进程进一步深化，对基于新科学原理的检测方法和识别技术的研究具有重要的科学意义和应用价值。本项目立足于纳米科技和生命科学的基础测量问题，对微悬臂梁传感器的技术特性进行系统研究，针对当前悬臂梁测量技术存在的检测速度慢和溶液中分辨率下降等技术难点，从材料选取、结构设计、外部Q反馈以及材料表面改性等方面综合考虑，提出通过电化学分离方法对生物纳米系统进行测量，并对与之相关的若干科学问题进行系统分析，并在此基础上构建具有高分辨率和快速识别能力的传感系统，具有较重要的科学研究和应用价值。本研究项目的成果将对深入理解生物纳米体系的力学和电学特征及动力学过程具有一定的指导意义。

在纳米尺度实现微弱信号的高效率、高速度、高精度实时检测是当前科技发展的重要课题之一，在国家安全、食品卫生、环境检测、临床医学等诸多领域具有广泛应用。随着我国向自主创新型国家转变，研究开发基于新科学原理的检测方法和识别技术具有重要的科学和应用价值。本项目结合理论解析和有限元（Finite Element Analysis）仿真分析等技术手段，系统分析了悬臂梁的结构、振动、阻尼、频谱特征，并在此基础上利用多普勒（Doppler）振动测试仪，通过自主开发的Labview软件系统，实现了微悬臂梁传感装置的构建，该系统经验证可以实现微米尺度结构的振动信号（频率范围：0－2.5 MHz，振幅范围：小于0.1 nm）测试。课题组在此基础上，进一步深入研究了外界信号与微悬臂梁的作用方法及相关机理，测量了氮化镓表面的极化电荷，实现了传统的压电激励和电容式激发方式，研究了声学激励、低频激光激励、电容高频激励等一系列具有创新性的激励方式。实现了用频率为微悬臂梁共振频率1/n脉冲电信号对微悬臂梁进行共振激发；实现了双共面电极对微悬臂梁高阶共振模式的有效激发及其频率响应调制；实现了基于激光的微悬臂梁的非接触式远程共振激发。 2100433B

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

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

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