應力型微懸臂梁生化傳感器響應機理研究進展*

楊天天

（1.江南大學，江蘇 無錫 214122;2.中國科學院上海微系統與信息技術研究所傳感技術聯合國家重點實驗室，上海 200050）

0 引言

微納機電懸臂梁生化傳感器是自20世紀90年代后期逐漸興起的新型痕量檢測技術，它通過微納懸臂梁將吸附或結合產生的質量、溫度、熱、磁和力等變量轉換為nm級的機械響應，這種響應通常具有超高靈敏度，尤其適合現場痕量快速檢測的需求。同時，該類傳感器還具有價格低廉、可實現微型化和批量生產、響應時間短、易陣列化和系統集成等優點，在生化傳感技術領域顯示了獨特的優勢，例如:已見報道的應用，對于生物分子如 DNA［1］，RNA［2］，蛋白質［3］的檢測，以及在化學檢測方面對于揮發性有機化合物［4］、爆炸物［5］和水銀蒸氣的檢測［6］等。

在這樣的背景下，研究和開發基于微納機電懸臂梁的生化傳感器是一項既充滿挑戰又十分迫切的任務。與此同時，利用微機電懸臂梁采用不同的敏感層來實現不同生化物質的特異性檢測只是研究者針對解決個性問題的應用結果，對于生化敏感作用在懸臂梁微結構上的信息轉換機制并無定論。近年來，隨著微懸臂梁生化傳感器的大力發展，相應的基礎工作機理研究受到日益重視。

1 應力型微懸臂梁生化傳感器的工作原理

應力型微懸臂梁生化傳感器是通過在懸臂梁的一個表面固定一層具有特異性識別能力的敏感材料，被測化學氣體或生物分子經擴散被生化敏感層吸附或結合后，導致懸臂梁表面應力發生變化，造成懸臂梁的彎曲，再通過電（或光）學信號記錄下來。此類微懸臂梁傳感器由于具有結構簡單、制作容易、靈敏度高、可在線檢測、容易在溶液中使用等優點，在生化檢測領域獲得了廣泛的應用。

對于應力型微懸臂梁生化傳感器來說，目標分子在懸臂梁表面的吸附可以分為物理吸附和化學吸附，物理吸附和化學吸附都能在懸臂梁的表面產生表面應力。物理吸附是通過范德瓦耳斯力的作用產生的，它的結合能一般較小，選擇性差;化學吸附是由于目標分子和敏感層產生化學鍵結合而實現的，它的結合能通常較大。通常化學吸附產生的表面應力要強于物理吸附，且具有較強的選擇性。因此，傳感器的敏感層主要是通過化學吸附或結合來實現對目標分子的特異性檢測。

在潔凈表面上，吸附導致表面應力的變化是由于吸附過程引起表面原子和內部原子的結構重組，進而引起的表面重構和表面馳豫現象。本質上，吸附導致的表面應力變化可以歸結于和吸附過程相關的表面吉布斯自由能γ的變化。根據Shuttleworth方程，表面應力σ的變化可表示為

其中，?ε為表面積的相對變化。對于在懸臂梁表面的吸附，式（1）中的第二項通常都很小，因而，表面應力的變化可近似等于表面自由能的變化。當表面吸附或結合引起表面張力發生變化后，懸臂梁的表面會產生相應的應力（壓應力或張應力），從而使懸臂梁的敏感表面面積有增加或縮小的趨勢。這種應力如果沒有大小相等方向相反的力來補償，就將導致懸臂梁的彎曲。由表面應力變化導致懸臂梁彎曲后的曲率半徑R可以由Stoney公式給出

其中，σ為表面應力，ν為泊松比，E為楊氏模量，t為微懸臂梁的厚度。

2 微懸臂梁生化傳感器的響應機制研究現狀與進展

靜態微懸臂梁生化傳感器的特異性和敏感性都是通過敏感層與目標分子的相互作用來實現的。由于表面應力的產生牽涉到復雜的分子相互作用，研究者對表面應力產生的機制的理解仍停留在初級階段。國內外研究者提出了幾種可能的由特異性生化反應產生的表面應力變化的作用機制，如靜電力（偶極作用）［7］、范德華力［8］、構型熵［9］以及表面電荷重構［10］等，并提出了一些相應的初步模型［8，11，12］和一種將特異性吸附過程劃分為縱向界面上以及橫向分子間進行分別討論的方法［13］，為應力型生化懸臂梁傳感器的響應機制問題的解決打下了良好的基礎。

2.1 響應機制的簡化模型

在響應機制的研究中，為了簡化問題，假設懸臂梁的敏感層表面是均一的，吸附質在懸臂梁敏感層表面的吸附從統計學角度也是均一的，2個吸附質之間的距離為r，如圖1所示。同樣，假設懸臂梁表面的一級吸附是導致懸臂梁表面應力變化的主要原因，二級及以上的吸附只起次要作用。

圖1 懸臂梁表面分子吸附示意圖Fig 1 Schematic diagram of molecules adsorption on cantilever surface

由于化學吸附而導致的表面應力變化從微觀角度可以做如下理解:基底的表面層（本征表面層或者修飾的敏感層）處在一個表面應力為σ0的平衡態，σ0取決于基底表面層的初始狀態和環境中吸附在基底表面層上的分子（氣/固界面為空氣分子，液/固界面為溶劑分子）。吸附分子將取代之前非特異性吸附在基底表面層上的分子，改變表面層狀態。表面應力也會發生相應變化，以達到新界面的平衡。吸附過程可以看做2個步驟:吸附質與表面層分子的特異性結合;橫向作用引起的表面重構。表面分子的特異性吸附，將從界面作用（縱向）和表面分子的分子間作用（橫向）2個方面對表面應力產生影響，即

其中，Δσ為吸附導致的表面應力變化，θ為吸附質的表面覆蓋度，下標ν和i為縱向和橫向分量。

2.2 縱向作用對表面應力的影響

縱向作用發生于生化分子與懸臂梁表面的吸附界面，包含了與吸附質結合的化學/生化過程。在縱向界面上，產生表面應力的一個重要來源是表面自由能的降低。生化吸附是一個自發過程，通常這一過程總是傾向于降低表面自由能，使得表面張力減小，從而導致懸臂梁的彎曲。值得注意的是，自發吸附通常不會產生表面應力，相反會使得表面應力減小。因此，在大多數情況下懸臂梁的一個表面吸附或結合目標分子后會導致表面應力釋放，使得懸臂梁朝其背面方向彎曲，這就等效于在吸附表面產生了壓應力。如圖2所示，化學吸附導致界面能降低，從而引起表面壓應力，造成懸臂梁彎曲。相對較高的初始界面能將為生化檢測過程提供較高的能量下降空間，從而產生更大的表面應力，這為優化靜態微懸臂梁生化傳感器的敏感層設計，提高檢測性能提供了一種有效的方法。

除了界面能之外，由于目標分子與懸臂梁敏感層表面特異性結合而導致的電荷重分布也是引起表面應力變化的一個重要方面［14］。Godin M等人用特異性結合而導致的電荷重分布對不同鏈長巰基化合物的在金表面的吸附所產生的應力與鏈長相關性不大進行了解釋［10］。文獻報道中指出，特異性吸附所導致的懸臂梁表面層原子的電子結構重分布將改變表面自由能，從而引起表面應力的較大改變。

圖2 界面能變化導致的表面應力變化示意圖Fig 2 Diagram of the interfacial energy change induced surface stress

在縱向界面上，敏感層與目標分子特異性吸附反應的強度一直被認為是優化靜態微懸臂梁生化傳感器的關鍵。對于超痕量檢測來說，特異性吸附所產生的表面應力大小與吸附質表面覆蓋度的大小有很大的關系，這種情況下，增加敏感層與目標分子的特異性吸附反應強度是優化靜態微懸臂梁生化傳感器的有效途徑，尤其是在吸附質表面覆蓋度低至可忽略分子間相互作用時，這種增加特異性吸附反應強度帶來的傳感器性能優化更為顯著。當表面覆蓋度θ ＜0.2 ML時，表面應力與其近似呈線性關系［14，15］。在靜態微懸臂梁生化傳感器對爆炸物TNT和沙林模擬劑DMMP進行痕量檢測的研究中，對吸附質濃度與相應強度之間關系分析表明:吸附質在微懸臂梁表面吸附引起的相應與朗謬等溫吸附模型符合良好［4，16，17］。盡管敏感層與目標分子特異性吸附反應的強度在很大程度上決定了表面覆蓋度，特異性吸附的反應強度與懸臂梁表面產生的應力并無絕對關系。例如:對于同一吸附質，使用類似結構的敏感層對其進行檢測（即特異性吸附反應強度相近似）時，懸臂梁表面可產生相反方向的表面應力［5，16，18］。使用同一敏感層特異性吸附反應強度遞增的一組胺類同系物作為目標檢測物進行實驗并未獲得遞增的表面應力響應，表面應力響應反而依次遞減［13］。這些研究結果說明:界面上縱向作用并不是影響懸臂梁表面應力產生的唯一因素，在有其他因素作用時，特異性反應的強度往往不能作為所產生表面應力大小的主要考量依據。

2.3 橫向作用對表面應力的影響

在應力響應過程中，當目標分子吸附于表面時，鄰近的分子間將產生各種相互作用（包括空間體位、范德華力、靜電力、氫鍵等）以達到能量最低的平衡狀態，從而對表面應力造成影響。

2.3.1 空間體位作用

空間體位作用是可以顯著影響特異性吸附所產生的表面應力的一個重要因素，在某些情況中將決定所產生表面應力的方向。據報道，單鏈DNA（SsDNA）雜交所導致的構型熵的變化可用于控制靜態微懸臂梁彎曲的方向（即可決定產生的表面應力為壓應力或張應力）［9］。TNT分子在相近結構的敏感層上也可以產生方向相反的表面應力［5，16，18］。當使用同一敏感層檢測不同的分子時，由于吸附質分子尺寸上的巨大差別，也可以導致相反方向的表面應力變化［5，16，18］。值得指出的是:體位作用的影響往往是和活性作用位點的密度和表面覆蓋度θ密切相關的，在目標分子被吸附到敏感層時，其相鄰間距r由敏感層的二維幾何結構和θ共同決定。

2.3.2 范德華力作用

范德華力在前人的文獻中作為解釋特異性吸附導致的懸臂梁彎曲的機理已得到了討論和證實［9］。根據文獻［8］中的簡化、計算，由于范德華力而導致的表面應力變化可以表達為

其中，Q為表面應力引起懸臂梁彎曲前的數密度（number per width）。

總之，作為一個分子間的短程作用力，與其他引起表面應力變化的因素相比，范德華力對總體表面應力變化的貢獻不是很大。以烷烴巰基化合物在金表面的自組裝為例，烷基鏈之間的范德華力總的來說對產生的表面應力貢獻不大，但它將導致烷基鏈自組裝層的產生一個與法線方向的傾斜角［10］。

2.3.3 靜電力作用

靜電力作用也被提出作為一種解釋特異性吸附導致的懸臂梁彎曲的可能的機理，尤其是解釋在所考慮的系統中存在有帶電荷離子或電子轉移過程的情況。根據文獻［8］中的簡化、計算

其中，q為所帶電荷電量，ε0為自由介電常數。

在大多數系統中不存在帶電荷離子的情況下，靜電力作用可以被考慮為偶極子之間通過靜電場的相互作用，此時，靜電作用對最終產生的表面應力影響不大。但在吸附質為陽離子/陰離子的情況下，靜電作用對表面應力變化產生非常重要的影響。Sushko M L等人研究了相鄰羧酸根離子（—COO-）之間的靜電排斥作用所產生的表面壓應力［19］。在使用羧酸根陰離子對銨根陽離子進行檢測的實驗中，得到的結果為表面張應力［20］。

2.3.4 氫鍵作用

氫鍵是一種較強的分子間力，在許多化學/生化作用中都起著非常大的作用。氫鍵的作用強度遠大于范德華力，比共價鍵和離子鍵稍弱，屬于次級鍵的一種，鍵能在42 kJ/mol以內。在生化傳感器的應用中，氫鍵作用已被利用于作為敏感層與被吸附之間的特異性反應，許多微懸臂梁生化傳感器的敏感層都是依靠氫鍵作用來捕獲目標分子的。在使用以羧基為尾端基團的敏感層對一系列的胺類化合物進行了檢測進行分子鍵氫鍵研究的結果表明［13］:橫向作用中的分子間氫鍵可對靜態應力型微懸臂梁生化傳感器的響應產生較大影響，有無分子間氫鍵形成甚至可導致高達1個數量級的表面應力變化差別。橫向上的分子間氫鍵作用可以被利用于產生更大的表面應力，為靜態應力型微懸臂梁生化傳感器的發展提出了新的機遇和挑戰［21］。

3 結論

應力型微懸臂梁生化傳感器的響應機理可以從縱向界面上和橫向分子間2個方面進行分析:縱向界面上，界面能的變化是導致表面應力變化的重要原因;在界面上特異性吸附的反應強度決定了特異性吸附的表面覆蓋度，對于表面覆蓋度很低的情況來說，表面覆蓋度與表面應力變化之間近似呈正比;在表面覆蓋度較高的情況下，特異性吸附的反應強度與表面應力變化的大小無單調聯系。橫向分子間的作用研究表明，范德華力和靜電力對表面應力的產生一般情況下不起主要作用;位阻作用的影響可導致信號方向相反的表面應力，分子間的氫鍵作用是引起表面應力變化一個重要的產生效應。

與日益受到研究者重視的微懸臂梁傳感器在生化檢測方面的應用相比，對生化敏感作用在懸臂梁微結構上的信息轉換機理研究稍顯滯后。認識和理解生化作用在懸臂梁表面產生應力的機制對于微懸臂梁生化傳感器來說至關重要，是進一步優化傳感器結構的設計和構筑生化敏感層的理論基礎，推動此類傳感器逐步成熟并走向實用化。從生化檢測應用走向半定量甚至定量的響應機制的建立，未來的相關工作應從偏重應用的個例檢測走向理論分析模擬與系列檢測實驗的結合，可將分子識別過程從微觀角度進行量子化學模擬，對表面應力從界面化學進行分析，同時結合傳感器特異性檢測結果，達到微觀與宏觀的統一。

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