微悬臂梁生物传感器及其在生物医学领域的应用

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ｔｉｏｎｓ．Ｂｉｏｍｏｈｃｕｌａｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ，ｗｈｅｎｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈａｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｐｌａｔｆｏｒｍｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎＭＥＭＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。ｃａｎｐｒｏ－ｄｕｃｅａｎｅｘｔｒｅｍｅｌｙｐｏｗｅｒｆｕｌｂｉｏｓｅｎｓｉｎｇｄｅｓｉｇｎ．Ｈｅｒｅｗｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ｒｅａｄ—ＯＵｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｃａｎｔｉｌｅ－ＶｅＴ．Ｔｈｅｎｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｆｉｅｌｄｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ；ＭＥＭＳ；ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ；ｒｅａｄ－－ｏｕｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

近年来．微悬臂粱传感器由于潜在的可以作为发展各种物理、化学、生物传感器的平台而备受人们重视。微悬臂粟就像一个缩小的微型跳板锚定在一端质量相对较大的物体上。微悬臂梁结构应用于传感器已有多年，微梁最早是用于微力检测的传感器【”。微悬臂粱传感器是最简单的微结构。利用它可以探测到极小的位移或质量的变化，这使得微悬臂梁成为高精度离灵敏传感器的理想选择。可以通过传统约徼加工技术进行批量生产。

ｌ徽悬臂梁生物传敷器工作原理

微悬臂梁可以通过包括周围热运动（布朗运动）在内的不同方法产生谐振，微悬臂梁的谐振频率可以随着分子的吸附面灵敏韵改变。】ｌｌ：井，微悬臂粱也可以由于分子的吸附而弯曲。下面我们分别对悬臂梁的谐振频率的变化和悬臂粱的弯曲进行探讨。

１．１谐振频率变化的探讨［２］微悬臂梁吸附待测物引起质量变化，从而导致微悬臂粱谐振频率偏移，通过测量频率偏移量的大小，就可以反映出微悬臂梁吸附待测物的多少．它的精度可以达到１０～ｌＳｇ。

１．２吸附作用导致悬臂梁偏转的探讨如果把待检测的分子吸附在微悬臂梁的一个表面，而另外一个表面不吸附待测分子．由于分子之间的相互作用会在微悬臂梁上下表面引起应力差。从而导致微悬臂梁弯曲。其弯曲直接成比例的由吸附中所产生的不同表面应力所产生。表面应力的单位是Ｎ／ｍ或者Ｊ／ｍ２，我们可以观测到悬臂粱上生物分子在十分之一ｍＪ／ｍ２范围之内表面应力的变化。

２徽粱的读出技术

微悬臂梁传感器的一个重要组成部分是一套能够将微悬臂粱的有关变化实时输出的读出系统。微悬臂梁的读出方法主要有光学方法和电学方法两类。其中光学方法常用的是光束偏转法‘”、激光干涉法［”，电学方法包括压阻法【“、压电法［５】和电容【５】等。

２．１光学方法光束偏转法的测量原理是激光二极管发出的激光束打在悬臂梁的自由端，以自由端上的金属层作为反射镜。将人射的激光反射出去，通过光电探测器接收反射光。光电探测器输出的电信号通过信号处理电路计算出入射在光电探溅器上光束的位置．从而可以反映徼悬臂梁的弯蓝变化。

光干涉法的原理是使原光纤光束和从悬臂梁背面从悬臂梁背面反射的光发生干涉。通过精确控制从悬臂梁背面反射的光，干涉条纹的改变即反映了悬臂梁的弯曲情况。２，２电学方法压阻检测是乖ｊ用压阻材瓣的压阻效应，测量应力和电阻值的变化关系，尤其适用于微弱信号的检测和放大。压电检测利用压电效应，在悬臂梁表面淀积压电材料（通常是Ｚ“）），当悬臂梁弯曲时，在压电层就会产生感应电荷，感应电荷的多少就反映了悬臂梁的弯曲程度．电容检测法是利用悬臂梁的作为平行板电容器的１个或２个极板．悬臂梁弯曲时，极板间距就改变，将悬臂梁作为可动的平行板，则悬臂梁弯曲的变化就可以通过电容的变化来表征．

３在生物医学领域的应用

徽悬臂梁传感器自从同世以来，以其体积小、成本低、灵敏度高等优点，在生物医学检测领域获得了广泛的研究和应用。２０世纪９０年代以来，硅微加工技术的发展使微悬臂梁的制造得以实现，加上先进读出技术的发展，促使微悬臂梁得到广泛应用。下面介绍一个具有代表性的试验。

限稍性内切酶试验嘲；馓悬臂梁常被用来作为生化反应的传感器平台。两个酶发生反应：被固定的ＤＮＡ（ＤＮＡｌ，以酶切酶切位点）先与一种限制性内切酶消化，然后和荧光索标记的互补ＤＮＡ序列（ＤＮＡ２）酶法结扎（图１）。这种生化反应的参数所需的是共价键．而不是硫基．被固定的双链ＤＮＡ序列含有切位点。酶切缓冲器包含ｂ一硫基乙醇或者二硫苏糖醇作为还原剂。如上所述，这些小的硫醇会耗光悬臂梁金表面的硫醇化的ＤＮＡ。为了限制试验，悬臂粱上固定包含５哄价氨基酸组的低聚物。硅悬臂梁表面首先涂上浓度为２％的３一氨基丙基杂氮硅三环溶液，然后在浓度为１％的戊二醛溶液中培养１ｈ．在磷酸盐缓冲液冲洗，并浸泡包含１０ｍＭ氢氧化钾浓度为ｌｍｇ・ｎ１Ｌ＿１的ＤＮＡｌ溶液中２４ｈ。在酶切反应缓冲液中清洗功能化的悬臂梁。戊二醛使表面硅烷的氨基组与ＤＮＡｌ低聚物的５’氨基酸组交联，产生一个共价固定的ＤＮＡｌ。

图】锾悬臂梁表面上限镧性消化／结扎反应的结构

共价固定的ＤＮＡｌ与ＨｉｎｄⅢ内切酶进行消化反应．使ＤＮＡｌ的束端可以进行牯性反应．荧光标记的ＤＮＡ２与ＤＮＡｌ末端进行互补反应，然后与ＤＮＡ２结扎．

４结束语

基于硅的微机电制造工艺，结合高灵敏度的原子力显徼镜，这种微悬臂梁传感器技术对于需要更经济的检测物质的

多种性质发挥了革命性的作用。将来的开发工作重点在于

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