微纳生物传感器的制造及应用探究

1.生物传感器的简介

生物传感器技术是一个非常活跃的交叉研究领域，它处在生命科学、化学、物理学、工程加工技术及信息科学的交叉区域。生物传感器技术的研究重点是：广泛地将各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器；基于这些材料和器件设计新的分析方法、制造新型分析仪器，并研究和开发它们在生物传感领域的应用；从用一种或多种酶作为分子识别元件的传感器，逐渐发展出基于其他多种生物分子识别元件的传感器。例如抗原-抗体、激素-受体、蛋白质-配体、DNA双螺旋拆分的分子等，把它们中的一方固定后，这固定的一方都可能作为分子识别元件来选择性地检测另一方，这一类生物传感器一般称为亲和型生物传感器。亲和型生物传感器利用生物分子识别技术（基于亲和力的识别技术），将生物反应的信息通过与之相连的信号换能器转换成可记录的信息，可对生物反应进行定量分析或半定量的分析，如图1-10所示。

图1-10　亲和型生物传感器传感原理示意图

亲和型生物传感器不仅可以用于分子探测，而且还是疾病诊断、基因筛检和药物研发的重要工具。通过分析，亲和型生物传感器记录的实时信号，可以监测生物分子结合和分解的动态过程，确定生物分子相互作用的结合平衡常数，以及结合、解离速率常数等，从而提供被分析物与目标检测物的结合强度等信息。这些信息对临床诊断和药物开发具有重大的意义，例如由此筛选出效果显著、可供进一步研发的高选择性治疗药剂。

2.生物传感器向微观尺度的发展

传统生物传感器的尺寸通常处在宏观尺度或者毫米尺度。得益于微纳技术和生物电子技术的发展，常规尺度的传感器已逐步过渡到微纳米尺度，同时提高了对生物特异性反应的检测精度。微纳米尺度敏感元件具有更高的表面-体积比，因而其物理性质更易受到外部的影响；但同时，随着尺度继续向原子极限缩小而具有更高的结构密度和更高的捕获效率，其灵敏度也得以大幅提升。纳米线、碳纳米管、纳米粒子和纳米棒等已逐步发展为未来亲和型生物传感器的关键敏感膜。目前微纳生物传感器的研究呈现以下三个趋势特点。

（1）集成微流控的高密度的微纳传感阵列芯片。

诸多研究成果证实了把成千上万的微悬臂梁、微流道集成到一个毫米级单芯片上的可行性，如利用晶圆级转移技术将微机电系统（MEMS）器件成功地从一片晶圆可靠地转移到另一片晶圆，并以此实现了每平方毫米100个悬臂梁及每平方毫米300个互连结构的高密度结构器件。

（2）进一步提升检测灵敏度，加强对非特异性吸附的有效抑制。

一方面，微纳生物传感器可检测极低浓度的蛋白质相互作用（例如抗原-抗体），以实现对一些重大疾病（例如前列腺癌、艾滋病等）的早期检测。另一方面，非特异性绑定和其他诸如传感器漂移等因素，将逐步取代传感器的固有质量灵敏度，成为影响微纳生物传感器在医学领域的检测精度的主要因素。借助预先浓缩、免疫亲和损耗、标准程序抑制白蛋白等手段，微纳生物传感器可以在一定程度上提升检测能力，但其最终效果将因竞争分子与目标物在浓缩过程和损耗过程中的相互“连带”效应而大大弱化。(www.xing528.com)

（3）面向细胞间信号传导、活体细胞行为检测的“智能型”生物传感芯片。

除了继续研究用于传统的基于“钥匙-锁”这一类别检测的亲和型生物传感器，检测并跟踪复杂的生物分子瞬时相互作用及分子行为，对于深入理解生命活动意义重大，这也将是下一代生物传感的一个重要的发展方向。这其中包括利用微加工手段制备新型的智能型生物传感器，以用于监测复杂的细胞间信号传导、细胞裂解物分析、跨膜蛋白或离子通道蛋白在细胞膜表面的行为，等等。

3.新生代生物传感器

传统生物传感器的一个大类基于标记检测技术。典型的标记物包括荧光、蛋白酶、放射性物质、量子点等。然而，这些基于标记的检测技术难以给出生物分子结合过程的实时动态信息，有很多不足之处。随着MEMS加工工艺和压电薄膜沉积技术的飞速发展，基于微加工的薄膜体声波谐振器（FBAR）逐渐发展成为具有气体探测、化学检测及生物分子检测多种能力的生物传感器。典型的FBAR传感器如图1-11所示。

单芯片集成CMOS振荡电路的FBAR阵列如图1-12所示。振荡电路用于将谐振信号放大并形成反馈，补偿其在液体中的能量损耗，从而维持持续的高强度谐振。集成在同一基板上的频率计可以精确追踪谐振器的谐振频率，从而实现自动传感。

图1-11　FBAR传感器照片

图1-12　单芯片集成CMOS振荡电路的FBAR阵列

近年来，压电MEMS薄膜谐振器被越来越多地应用于生物传感领域。例如，在DNA上的杂交检测：微传感器因具有高通量DNA序列检测能力，被认为在基因测序分析、基因图谱绘制、基因突变研究等诸多DNA相关领域具有巨大潜力。又如，蛋白质的检测：对压电谐振器表面进行不同的修饰，将其浸没于含有蛋白质分子的溶液中，或通过集成于谐振器表面的微流道将目标溶液引入，可以检测种类丰富的蛋白质分子。再如，免疫传感器的应用：基于PZT压电材料的薄膜谐振器已被用于检测多种抗体-抗原反应。而且，由于传感性能的不断提升，谐振传感器的质量灵敏度与谐振器自身的质量及声波路径的长度成反比，与其谐振频率近似成正比。品质因数Q通常由多种损耗机理决定，包括固定端能量损耗、热弹性损耗、声子间作用损耗、材料缺陷、黏弹性损耗等。

集成电化学与FET（field effect transistor，场效应晶体管）的微纳谐振生物传感器研究，被广泛应用在电化学传感器上，通过检测生物分子自身的氧化还原信息，或检测其携带的氧化还原标记物的信号，或检测分子吸附造成的界面阻抗改变等，实现界面传感。FET传感器通过检测界面处的电荷密度变化实现对目标物质的检测。由于目标物质在特定溶液环境中通常带有不同程度的正负电荷，这些正负电荷随物质吸附到界面上后，与FET半导体材料里的电子发生相互作用，从而改变FET自身的电学特性。因此，FET传感器可以直接检测由物质吸附导致的界面电荷变化，从而对目标物质的性质和浓度进行直接、定量的检测。