新型微梁阵列生化传感器的研制
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇新型微梁阵列生化传感器的研制范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要 为了消除单微梁生化传感系统中存在的温度漂移、溶液折射率变化等环境噪声影响，同时实现多种靶标分子的快速并行检测，设计制作了新型微梁阵列生化传感器。利用压电驱动激光束扫描微梁阵列，并通过光杠杆法实时读出微梁弯曲信号,即可得到在微梁表面发生的特异性生化反应的动力学曲线。对250 m间距的两定点的9 h扫描实验数据验证了系统光路的稳定性；同时进行了温度激励测试，升温6 ℃后微梁阵列弯曲信号基本保持一致（误差6.5%），验证了系统检测的可靠性。最后，利用自制毛细管阵列套合修饰装置，成功将克伦特罗抗体修饰到微梁阵列一侧的金表面上，对待测液中10 g/L克伦特罗标样进行了准确检测，验证了此传感系统在生化检测中的实际可行性。
关键词 生化传感器； 无标记； 微梁阵列； 压电驱动； 光杠杆法； 毛细管阵列
1 引 言
微梁生化传感技术是在原子力显微镜和微机电系统基础上发展起来的一项新兴传感技术\，具有检测灵敏度高、无需标记、能实时原位再现生化反应信息等优点。其检测原理是：当微梁单侧表面上有生化反应发生时，分子间的相互作用会导致微梁表面应力改变而使微梁产生弯曲，利用光学或电学方法检测出此变形即可得到该生化反应过程信息。经过近十年发展，微梁传感技术的应用领域已从最初的湿度、温度测量\逐渐转变到了生物工程\、环境污染监测\等。自2002年，本研究组以先后利用该技术实现了对聚N异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）构象转变\、Cu2＋\、克伦特罗（又称瘦肉精）和氯霉素\、紫杉醇\等的检测研究。
为进一步消除温度漂移、溶液折射率变化等环境噪声对单微梁检测系统\的影响,同时实现多种靶标分子的快速并行检测，研发了微梁阵列传感技术。目前，已报道的微梁阵列传感研究方法主要有光学干涉法\、垂直共振腔面射型激光器（VCSELs）时序照射检测法\和CCD面光源检测法\等。这些方法各有优缺点：光学干涉法检测灵敏度高，但所需检测条件过于苛刻，对系统抗振性能要求极高，在实际运用中很难实行；VCSELs时序照射检测法能实现8根微梁的高灵敏检测，但由于发射光束间距不可调，只能针对一定间距的微梁阵列进行检测，灵活性较低，且价格昂贵；CCD面光源检测法能实现高通量检测，但由于微梁尖端的弯曲会使图像产生弥散，严重影响光斑位移的检测质量，导致其检测灵敏度不高。
本研究基于压电扫描原理提出了微梁阵列生化传感方法。与已有的检测方法相比，本方法具有原理简单、灵敏度高、调节方便，可以对任意间距微梁阵列进行快速定位检测的优点。同时，研制了毛细管阵列套合修饰装置，能有效地将生化分子修饰到微梁阵列上，修饰效率比已有商品化点样仪更高，且成本更低。利用此装置成功消除了检测环境中的温度漂移、溶液折射率变化等噪声影响，对待测液中10 g/L克伦特罗标样进行了准确检测。
2 检测原理
微梁传感方法对生化反应的监测过程，实际上是通过检测生化分子在微梁单侧表面相互作用时引起的表面应力变化实现的。根据Stoney公式\，微梁端部位移δ与其表面应力变化量Δσ之间存在以下关系：
δ＝3（1－v）l2Et2Δσ（1）
其中，l, t, E和v分别代表微梁的长度、厚度、杨氏模量和泊松比。从式（1）可见，当微梁的材料与几何参数确定后，δ与σ成正比，检测出微梁端部位移即可得到其表面应力变化情况，进而检测出对应的生化反应信息。 图1 微梁阵列检测示意图
Fig．1 Detecting schematic of microcantilever array
目前，对微梁弯曲变形的检测方法主要有电容、压阻、光学和电磁检测法等\。其中，光杠杆法由于结构简单、灵敏度高，在目前使用最普遍，其垂直分辨率可达1011 m量级\。基于该方法，对微梁阵列上生化反应信息进行准确检测的原理图如图1所示：在生化反应过程中，利用修饰了惰性分子（不参与生化反应）的参考梁检测环境噪声信号；待反应完成后，修饰有探针分子的微梁变形信号减去参考梁的变形信号，即得到了仅由探针分子与靶标分子特异性结合产生的微梁变形信号。
分 析 化 学第40卷
第4期邬 林等： 新型微梁阵列生化传感器的研制
3 结果与讨论
3.1系统设计
利用压电扫描原理设计制作的微梁阵列生化传感系统如图2a所示：利用压电陶瓷管驱动固定在其上的凸透镜做周期性往复运动，使穿过其中的激光束扫射微梁阵列（图2b），用PSD靶面时序接收反射光点位置信号，即可实现微梁阵列弯曲变形检测，获得梁上生化反应的实时信息。
图2 （a）微梁阵列生化传感系统示意图和（b）压电驱动扫描原理图
Fig．2 （a） Schematic of microcantilever array biochemical sensor and （b） Schematic of piezodriven scanning
凸透镜偏转驱使激光束扫描的原理图如图3所示，当压电陶瓷管由于其输入电压值变化产生偏转时，固定在其上的凸透镜也随之发生偏转（中心位置从O点移动到O’点），此时，经凸透镜汇聚后的激光束焦点也相应地从F1处移动到F2处。通过程序控制输入电压的大小和变化周期，即可准确控制扫描光束的间距和频率。
图3 透镜驱使激光束扫描原理图Fig．3 Schematic of laser beam deflecting with lens
图4 实验用微梁阵列照片
Fig．4 Photo of microcantilever array used in experiment
3.2 扫描光路稳定性测试
将商品化微梁阵列（德国Micromotive公司，如图4所示，其中微梁长500 m的两定点进行9 h扫描测试。结果表明：在X方向和Y方向上，两扫描位点位移都保持平稳一致，证实了扫描光路的稳定性。
3.3 阵列信号一致性测试
调节激光束扫描位点，准确定位微梁1和2尖端，待信号稳定后进行温度激励测试。采用高精度温控器（精度0.01 ℃）将微梁阵列的环境温度从22 ℃逐步升至28 ℃， 图5 在温度激励下两微梁的位移曲线图Fig．5 Displacement of two microcantilevers versus
temperature
所得对应数据曲线如图5所示（图中将两梁信号曲线平移到了原点）。实验表明，两微梁的位移响应信号在同一温度变化激励下基本保持一致，在升温6 ℃后，误差6.5%（相差量26 nm除以总的变形量400 nm）。由于微梁传感技术对生化反应的检测主要是针对分子间的特异性结合，因此只要能准确测出这种特有的反应信息，微梁阵列弯曲信号误差在10%以内是不会影响检测结果的，目前已有的商品化VCSELs型微梁阵列仪（瑞士Concentris公司）检测精度也在此量级，如图6所示。
为进一步测试阵列系统可靠性，将微梁阵列安放在生化反应池中进行实验。模拟实际生化反应环境，开启蠕动泵使池中溶液流动置换，调节好扫描光路，在实验室自然环境下采集信号8 h，得到图7所示信号曲线。两根微梁的位移曲线变化趋势在随环境变化（温度、溶液流动等）过程中始终保持平行，说明在相同的外在激励条件下，微梁阵列响应信号一致，进一步验证了系统可靠性。
图6 VCSEL型微梁阵列仪温度激励数据图Fig．6 Temperature excitation graph of VCSELs
microcantilever array sensor
图7 在自然环境下两微梁的位移曲线图Fig．7 Displacement curves of two microcantilevers in the natural environment
3.4 特异性生化反应检测
3.4.1 实验试剂 克伦特罗抗体，克伦特罗标准样品（CLEN），氯霉素标准样品（CAP）均取自中国农业大学农学与生物技术学院；活化剂： 1Ethyl3（3dimethyl aminopropyl） carbodiimide （EDC），NHydroxysulfosuccinimide （NHS）；硫醇 HSCH2COOH （Sigma公司）；PBS （4.0 g NaCl＋0.1g KH2PO4＋1.48 g Na2HPO4・H2O＋500 mL去离子水）；TPBS （PBS＋0. 5% Tween20）；98%浓H2SO4；30% H2O2，均为分析纯。
3.4.2 微梁阵列上抗体的修饰 将微梁阵列浸入H2O2H2SO4（1∶3, V/V）混合溶液中10 min（室温），洗去杂质，取出用去离子水冲洗后放入孔板中，加入200 L 0.1 mol/L硫醇后，封口静置20 h（室温），利用硫醇自带的巯基（HS）自组装到微梁阵列一侧的镀金表面上。反应完成后，取出微梁阵列，依次用乙醇和去离子水冲洗，放入新孔板中，注入100 g/L CLEN标样，此时修饰有克伦特罗抗体的梁1响应信号明显大于未修饰克伦特罗抗体的梁2响应信号，说明：梁1上发生了克伦特罗抗原抗体特异性结合，导致了其表面应力的显著变化；梁2的响应信号幅度较小，可能是由环境扰动引起。将梁1与梁2（参考梁）响应信号之差，即为仅由克伦特罗抗原抗体特异性结合产生的真实微梁变形信号（38 nm）。
图8 利用毛细管修饰CLEN抗体到微梁阵列上照片
Fig．8 Photo of immobilizing clenbuterol （CLEN） antibody on microcantilever array with capillary
图9 微梁阵列对CLEN抗原抗体特异性结合的检测
Fig．9 Detection of CLEN antigenantibody specific binding with microcantilever array
微梁生化检测过程中，抗原抗体结合导致微梁上表面应力变化的机理, 目前认为主要是由亲疏水作用、静电力和氢键等导致\。对于本实验检测用的CLEN而言, 认为主要是由静电排斥力导致。根据公式（1），带入相关参数，计算可得10
g/L CLEN标样与梁上修饰的CLEN抗体发生特异性结合后，导致了微梁上约0.0184 N/m的表面应力变化。
References
1 Singamaneni S, LeMieux M C, Lang H P, Gerber C, Lam Y, Zauscher S, Datskos P G, Lavrik N V, Jiang H, Naik R R, Bunning T J, Tsukruk V V. Adv. Mater., 2008, 20（4）: 653～680
2 XU YingMing, PAN HongQing, WU SanHua, ZHANG BaiLin. Chinese J. Anal. Chem., 2009, 37(6): 783～787
徐英明, 潘宏青, 伍三华, 张柏林. 分析化学, 2009, 37(6): 783～787
3 Thundat T, Warmack R J, Chen G Y, Allison D P. Appl. Phys. Lett., 1994, 64（21）: 2894～2896
4 Zhang J, Lang H P, Huber F, Bietsch A, Grange W, Certa U, McKendry R, Guntgerodt H J, Hegner M, Gerber C. Nat. Nanotechnol., 2006, 1（3）: 214～220
5 Drelich J, White C L, Xu Z H. Environ. Sci. Technol., 2008, 42（6）: 2072～2078
6 LI Kai, LIU Hong, ZHANG QingChuan, HOU Yi, ZHANG GuangZhao, WU XiaoPing. Acta Phys. Sin., 2006, 55（8）: 4111～4116
李 凯, 刘 红, 张青川, 侯 毅, 张广照, 伍小平. 物理学报, 2006, 55（8）: 4111～4116
7 Zhao H W, Xue C G, Nan T G, Tan G Y, Li Z H, Li Q X, Zhang Q C, Wang B M. Anal. Chim. Acta, 2010, 676（12）: 81～86
8 Tan W M, Huang Y, Nan T G, Xue C G, Li Z H, Zhang Q C Wang B M. Anal. Chem., 2010, 82（2）: 615～620
9 XUE ChangGuo, ZHAO HongWei, WU ShangQuan, NAN TieGui, WANG BaoMin, ZHANG QingChuan, WU XiaoPing. Chinese J. Anal. Chem., 2011, 39（6）: 863～866
薛长国, 赵洪伟, 吴尚犬, 南铁贵, 王保民, 张青川, 伍小平. 分析化学, 2011, 39（6）: 863～866
10 Huang Y, Liu H, Li K, Chen Y Y, Zhang Q C, Wu X P. Sens. Actuators A, 2008, 148（1）: 329～334
11 Reed J, Schmit J, Han S, Wilkinson P, Gimzewski J K. Opt. Laser Eng., 2009, 47（2）: 217～222
12 Zhang R, Best A, Berger R, Cherian S, Lorenzoni S, Macis E, Raiteri R, Cain R. Rev. Sci. Instrum., 2007, 78（8）: 1～7
13 Yue M, Stachowiak J C, Lin H, Datar R,Cote R, Majumdar A. Nano Lett., 2008, 8（2）: 520～524
14 Stoney G G. Proceedings of the Royal Society of London Series A, 1909, 82（553）: 172～175
15 Hu Z Y, Seeley T, Kossek S, Thundat T. Rev. Sci. Instrum., 2004, 75（2）: 400～404
16 van Oss C J. Mol. Immunol., 1995, 32（3）: 199～211
A Novel Microcantilever Array Biochemical Sensor
WU Lin1, ZHOU XiaRong1, WU ShangQuan1, WANG Ping2, ZHANG QingChuan*1, WU XiaoPing1
1（Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Material of Chinese Academy of Sciences,
University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China）
2（Laboratory of Physical Biology, Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China）
Abstract To eliminate the impact of environmental noise such as temperature drift and change ofliquid refractive index in the single microcantilever biochemical sensing system and achieve rapid parallel detection of a variety of target molecules, a novel microcantilever array biochemical sensor was designed and manufactured. When the microcantilever array was scanned by a piezoelectricdriven laser beam, the kinetic curves of the specific biochemical reaction on the microcantilever array surface was obtained by realtime monitoring the deflections of the microcantilevers with the optical lever readout technique. In the experiment, the system optical stability was verified by 9 h scanning of two fixed points with 250