中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
生物傳感技術(shù)在檢測和量化生物信號或分子方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，其應用已覆蓋從醫療保健到環(huán)境污染物監測等廣泛領(lǐng)域。作為生物學(xué)、醫學(xué)和環(huán)境科學(xué)的重要工具，生物傳感仍是一個(gè)值得持續研發(fā)的領(lǐng)域。
生物傳感器可以采用包括電學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)在內的多種傳感原理。其中，聲學(xué)重量分析生物傳感器因其簡(jiǎn)單、堅固且成本低而脫穎而出，使其在即時(shí)診斷（POCT）應用等很多領(lǐng)域具有廣泛的吸引力。
盡管聲學(xué)生物傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但它們往往面臨一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即在液體測量中品質(zhì)因數（Q）較低。Q值可用于衡量聲學(xué)系統中的能量損失（或耗散），對聲學(xué)生物傳感器的靈敏度和準確性有很大影響。對于平面外模式聲學(xué)生物傳感器，低Q值主要由聲輻射能量損失造成。因此，為了避免聲能直接輻射到周?chē)h(huán)境中，平面內模式成為首選。然而，即使是平面內聲學(xué)生物傳感器，也會(huì )由于剪切倏逝邊界層內的摩擦而導致能量耗散。
多年來(lái)，已有研究探索了多種方法來(lái)提高聲學(xué)生物傳感器的Q值，例如利用波的干涉，將傳感器與周?chē)h(huán)境隔離，以及采用超構結構捕獲聲能等。然而，這些努力只是部分解決了低Q值的問(wèn)題，并沒(méi)有完全解決根本難題。據麥姆斯咨詢(xún)介紹，美國杜克大學(xué)（Duke University）和Qatch Technologies公司的研究人員展示了一種創(chuàng )新的聲學(xué)生物傳感器設計，它能有效消除液相中的耗散，從而顯著(zhù)提高Q值。通過(guò)解決這一根本問(wèn)題，該設計為提高聲學(xué)生物傳感器在各種應用中的性能開(kāi)辟了新的可能。
研究人員采用石英晶體微天平（QCM）作為模型系統來(lái)實(shí)現這種新范例。QCM是一種厚度剪切模式（TSM）諧振器，能夠通過(guò)測量諧振頻率偏移和耗散偏移來(lái)檢測表面結合質(zhì)量及相關(guān)的能量損失。之所以選擇QCM作為模型系統，是因為它操作簡(jiǎn)單、應用廣泛、生產(chǎn)成本低，而且其工作原理與表面聲波（SAW）諧振器、薄膜體聲波諧振器（FBAR）和體聲波（BAW）諧振器等其它聲學(xué)重量分析生物傳感技術(shù)具有相關(guān)性。
μ-QCM的設計和表征
研究人員提出的這種新的方法，可以改善液體環(huán)境中聲學(xué)重量分析生物傳感器的耗散損耗，從而提高其Q值。具體來(lái)說(shuō)，研究人員利用MEMS器件制造中常用的光刻法，在傳統QCM傳感器頂部添加剛性微流控通道，進(jìn)而制造出一種微流控石英晶體微天平（μ-QCM）。其中的微流控通道通過(guò)毛細作用被動(dòng)充滿(mǎn)探針液體。與傳統的QCM傳感器相比，這種μ-QCM傳感器的實(shí)驗特性表明，在液體環(huán)境中工作時(shí)，耗散偏移降低了10倍以上。這表明基本上消除了所有由液體引起的耗散。此外，研究人員還發(fā)現，μ-QCM只對液體質(zhì)量（密度）的變化敏感，而傳統QCM會(huì )受到密度和粘度的復雜影響。
實(shí)驗表明，（a）傳統QCM的歸一化頻移隨乙醇重量百分比的增加而減小，因為它主要受混合物粘度增加的影響；（b）相比之下，μ-QCM的歸一化頻移增加，因為它只取決于混合物密度的減小。此外，傳統QCM的耗散會(huì )隨著(zhù)粘度的增加而增加，而對于μ-QCM來(lái)說(shuō)這種耗散則可以忽略不計。
為了深入了解μ-QCM運行的基本物理原理，研究人員利用有限元分析（FEA），采用分層構建流程構建了仿真模型，并根據實(shí)驗結果對這些模型進(jìn)行了驗證。結合尺寸分析，有限元分析揭示了影響器件性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素：（1）通道寬度與壓力波長(cháng)之比，（2）通道高度與剪切倏逝波長(cháng)之比。通過(guò)將耗散響應映射為這兩個(gè)無(wú)量綱比率的函數，生成了一個(gè)等高線(xiàn)圖，可用于指導其它聲學(xué)生物傳感器的設計和制造。
μ-QCM的制造采用了廣泛使用的MEMS制造工藝，主要步驟包括光刻膠（S1813）的旋涂、光刻、DC濺射以及用DMSO剝離。
這種μ-QCM不僅能將液體負載引起的耗散偏移降低10倍，還能直接測定液體密度（質(zhì)量）的變化，最大限度地減少樣品體積的要求，并且對溫度控制的要求也更低。這些綜合優(yōu)勢使μ-QCM對于各種生物傳感應用，尤其是在即時(shí)診斷應用中具有很高的吸引力。
