中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
生物傳感技術在檢測和量化生物信號或分子方面發(fā)揮著至關重要的作用，其應用已覆蓋從醫(yī)療保健到環(huán)境污染物監(jiān)測等廣泛領域。作為生物學、醫(yī)學和環(huán)境科學的重要工具，生物傳感仍是一個值得持續(xù)研發(fā)的領域。
生物傳感器可以采用包括電學、光學和聲學在內(nèi)的多種傳感原理。其中，聲學重量分析生物傳感器因其簡單、堅固且成本低而脫穎而出，使其在即時診斷（POCT）應用等很多領域具有廣泛的吸引力。
盡管聲學生物傳感器具有很多優(yōu)點，但它們往往面臨一個共同的缺點，即在液體測量中品質因數(shù)（Q）較低。Q值可用于衡量聲學系統(tǒng)中的能量損失（或耗散），對聲學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圍環(huán)境中，平面內(nèi)模式成為首選。然而，即使是平面內(nèi)聲學生物傳感器，也會由于剪切倏逝邊界層內(nèi)的摩擦而導致能量耗散。
多年來，已有研究探索了多種方法來提高聲學生物傳感器的Q值，例如利用波的干涉，將傳感器與周圍環(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值的問題，并沒有完全解決根本難題。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國杜克大學（Duke University）和Qatch Technologies公司的研究人員展示了一種創(chuàng)新的聲學生物傳感器設計，它能有效消除液相中的耗散，從而顯著提高Q值。通過解決這一根本問題，該設計為提高聲學生物傳感器在各種應用中的性能開辟了新的可能。
研究人員采用石英晶體微天平（QCM）作為模型系統(tǒng)來實現(xiàn)這種新范例。QCM是一種厚度剪切模式（TSM）諧振器，能夠通過測量諧振頻率偏移和耗散偏移來檢測表面結合質量及相關的能量損失。之所以選擇QCM作為模型系統(tǒng)，是因為它操作簡單、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）諧振器等其它聲學重量分析生物傳感技術具有相關性。
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)境中聲學重量分析生物傳感器的耗散損耗，從而提高其Q值。具體來說，研究人員利用MEMS器件制造中常用的光刻法，在傳統(tǒng)QCM傳感器頂部添加剛性微流控通道，進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毛細作用被動充滿探針液體。與傳統(tǒng)的QCM傳感器相比，這種μ-QCM傳感器的實驗特性表明，在液體環(huán)境中工作時，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(xiàn)，μ-QCM只對液體質量（密度）的變化敏感，而傳統(tǒng)QCM會受到密度和粘度的復雜影響。
實驗表明，（a）傳統(tǒng)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(tǒng)QCM的耗散會隨著粘度的增加而增加，而對于μ-QCM來說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(jù)實驗結果對這些模型進行了驗證。結合尺寸分析，有限元分析揭示了影響器件性能的兩個關鍵因素：（1）通道寬度與壓力波長之比，（2）通道高度與剪切倏逝波長之比。通過將耗散響應映射為這兩個無量綱比率的函數(shù)，生成了一個等高線圖，可用于指導其它聲學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，尤其是在即時診斷應用中具有很高的吸引力。
